肖鑫，潘永杰，田越，樂思韜

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

超千米公鐵兩用斜拉橋關(guān)鍵節(jié)點模型試驗

肖鑫1，2，潘永杰1，2，田越1，2，樂思韜1，2

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

為研究主桁整體節(jié)點構(gòu)造的受力性能，結(jié)合在建滬通長江大橋，采用1∶2的幾何縮尺模型，對其關(guān)鍵節(jié)點A60進行了模型試驗研究和有限元理論分析。試驗結(jié)果表明:在最不利荷載工況下，節(jié)點區(qū)域最大應(yīng)力在材料的容許應(yīng)力范圍內(nèi)，驗證了節(jié)點設(shè)計的安全性與可靠性;節(jié)點最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊接處和圓弧過渡段，主要是該處應(yīng)力集中所致;采用適當半徑的圓弧過渡形式，可有效減小應(yīng)力集中。試驗結(jié)果驗證了滬通橋關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計的合理性，也為類似工程節(jié)點設(shè)計提供了重要依據(jù)。

整體節(jié)點 關(guān)鍵節(jié)點 模型試驗 有限元分析

目前，整體節(jié)點構(gòu)造在大跨度鋼桁梁橋中被廣泛采用，從孫口黃河大橋，到蕪湖長江大橋、天興洲橋，再到銅陵長江大橋，主桁架均采用這種結(jié)構(gòu)形式。但整體節(jié)點的設(shè)計和驗算并無統(tǒng)一規(guī)范可參照［1］，因此，為獲取節(jié)點的力學行為，模型試驗就顯得尤為必要，如蕪湖長江大橋和東江大橋都通過模型試驗的方法來驗證節(jié)點設(shè)計的合理性和安全性［2－5］。

滬通長江大橋作為我國首座超千米級公鐵兩用斜拉橋，通行4線鐵路，6車道高速公路，主橋跨度1 092 m?？缍却?，荷載重，主桁整體節(jié)點構(gòu)造采用全焊接形式。結(jié)構(gòu)承載大，受力復雜，尤其是各桿件交接處，焊縫密集，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。傳力途徑和應(yīng)力狀態(tài)需要特別關(guān)注，有必要對關(guān)鍵節(jié)點進行試驗分析。

經(jīng)與設(shè)計院溝通，確定本次試驗對象為中桁節(jié)點A60，以便研究在最不利荷載工況下，關(guān)鍵節(jié)點的受力性能和應(yīng)力分布規(guī)律，驗證設(shè)計理論的合理性，確保結(jié)構(gòu)安全。

1 試驗概況

1.1 試驗?zāi)Ｐ图凹虞d工裝設(shè)計

根據(jù)試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計的一般原則［6－8］和滬通長江大橋A60節(jié)點的實際構(gòu)造，選取縮尺比例為1∶2的試驗?zāi)Ｐ?，嚴格按照相似比確定模型尺寸。根據(jù)圣維南原理，桿件加載端可適當加長，并設(shè)置相應(yīng)的構(gòu)件確保加載過程中桿件傳力均勻，節(jié)點模型見圖1。

圖1 A60節(jié)點模型

根據(jù)試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計原則，模型與原結(jié)構(gòu)有相同的彈性模量與泊松比，當原結(jié)構(gòu)幾何尺寸縮減1/2，所受集中力縮減1/4時，則得到的模型應(yīng)力與原結(jié)構(gòu)相同。根據(jù)實際A60節(jié)點設(shè)計區(qū)域，確定模型總長度為4.2 m，寬度為0.6 m，高度為3 m，板厚最大為20 mm，最小為8 mm，試驗?zāi)Ｐ椭黧w鋼材采用Q345B鋼。

試驗過程中，將模型右端節(jié)點設(shè)置為固定端，其余節(jié)點采用4個千斤頂加載。上弦桿加載采用800 t液壓千斤頂，豎桿和錨拉板采用250 t液壓千斤頂，斜桿采用800 t千斤頂，使用前進行標定;荷載大小用標定好的壓力傳感器進行測量?？紤]加載安全與穩(wěn)定，防止加載過程中模型移動，將模型置于反力架內(nèi)，首先對上弦桿施加一定荷載使模型穩(wěn)定，然后將其他荷載同步均勻加載到規(guī)定值。加載工裝設(shè)計見圖2。

1.2 試驗加載工況

試驗加載值通過有限元分析計算得出，并考慮節(jié)點模型的特點，進行荷載配平。試驗加載前，需要進行預加載，以檢測試驗加載裝置是否全部正常工作。對試驗?zāi)Ｐ图虞d共分為13個工況，本文只考慮在雙線中活載+雙線ZK荷載+公路6線荷載作用下，A60節(jié)點上弦桿最大內(nèi)力和斜桿最大內(nèi)力兩種工況，即工況7和工況13，具體加載工況見表1。

圖2 加載工裝設(shè)計

表1 試驗加載工況t

1.3 測試內(nèi)容

試驗中，結(jié)構(gòu)應(yīng)變采用電阻應(yīng)變片測量。理論分析表明，各桿件交接處及圓弧過渡段應(yīng)力較大，且為復合應(yīng)力狀態(tài)。因此，在布設(shè)模型測點時，交接處及過渡段布置較多的三向應(yīng)變測點，以便測出主應(yīng)力大小及方向，其余地方適當布設(shè)。在各桿件中部位置布設(shè)單向應(yīng)變測點，以監(jiān)測其受力狀態(tài)，在端部及軸向位置布設(shè)單向應(yīng)變測點，以復核所加荷載大小。通過現(xiàn)場壓力傳感器所測荷載值，及時監(jiān)測和調(diào)整加載值。

根據(jù)測點布設(shè)原則及模型構(gòu)造，將模型分為上弦桿、錨拉板及下部桿件，主要分析上弦桿、錨拉板焊接處、下部桿件過渡段及焊接處的應(yīng)力分布規(guī)律。上弦桿各測試截面位置見表2。

表2 上弦桿各截面位置mm

2 理論分析

通過有限元軟件Ansys建立殼單元節(jié)點模型，尺寸與試驗?zāi)Ｐ统叽缦嗤?，分析在上述加載工況下節(jié)點模型的受力分布規(guī)律。

根據(jù)有限元模型加載結(jié)果可知，等效應(yīng)力最大值位于下部桿件與上弦桿交接處，且位于圓弧過渡段，受力復雜。上弦桿受力較大，其他桿件受力相對較小。在工況7下，壓桿最大壓應(yīng)力為331 MPa，拉桿最大拉應(yīng)力為224.7 MPa;在工況13下，壓桿最大壓應(yīng)力為258.3 MPa，拉桿最大拉應(yīng)力為307.2 MPa，且都位于交接處或圓弧過渡段，主要是由于該處應(yīng)力集中和次彎矩引起。但在實際結(jié)構(gòu)中采用Q370q鋼材，屈服強度高達370 MPa。因此，在上弦桿荷載最大工況下，材料拉壓應(yīng)力均小于材料的屈服強度，具有足夠的安全儲備。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 上弦桿應(yīng)力分布

上弦桿試驗主要測試7個截面。以各截面主應(yīng)力為縱坐標，距離為橫坐標，上弦桿應(yīng)力曲線見圖3。

圖3 各截面主應(yīng)力曲線

由圖3可知，在不同工況下，主應(yīng)力變化情況基本一致，且與計算值吻合較好。在上弦桿焊接處，主應(yīng)力值都偏大，主要是由于該處應(yīng)力集中所致。工況7和工況13實測主應(yīng)力最大值分別為55.15，70.26 MPa，最小值分別為－191.56，－142.35 MPa;主應(yīng)力最大值均位于上弦桿與下部桿件焊接處，最小值位于上弦桿端部。桿件處于正常受力狀態(tài)，節(jié)點結(jié)構(gòu)安全。

3.2 錨拉板焊接處應(yīng)力分布

錨拉板采用全焊接形式與上弦桿連接。為分析焊接處的應(yīng)力集中對桿件受力的影響，在錨拉板焊接處布設(shè)三向應(yīng)變測點，測點布置見圖4，焊接處測主應(yīng)力曲線見圖5。

圖4 錨拉板焊接處應(yīng)變測點布置

圖5 焊接處主應(yīng)力曲線

由圖5可知，在不同工況下，焊接處應(yīng)力變化情況基本一致，且與計算值吻合較好。由于焊接處應(yīng)力集中的影響，主應(yīng)力普遍偏大。工況7和工況13實測主應(yīng)力最大值分別為67.22，68.89 MPa，最小值分別為－202.03，－141.84 MPa;主應(yīng)力最大值均位于焊接處中部附近，最小值位于端部附近。桿件處于正常受力狀態(tài)，節(jié)點結(jié)構(gòu)安全。

3.3 圓弧過渡段應(yīng)力分布

為研究圓弧過渡段的應(yīng)力分布情況，在豎桿及斜桿圓弧過渡段布設(shè)三向應(yīng)變測點，測點布置見圖6，圓弧過渡段最大主應(yīng)力曲線見圖7。

由圖7可知，在不同工況下，豎桿圓弧過渡段與實測值有一定差值，主要是由于該處結(jié)構(gòu)復雜，應(yīng)力值偏小，試驗過程中存在加載和測試誤差。斜桿圓弧過渡段應(yīng)力實測值與理論值能較好地吻合。豎桿與上弦桿連接處采用圓弧+直線+圓弧的過渡形式，在圓弧段受力較小，在直線段受力較大;斜桿與上弦桿連接處全部采用圓弧過渡形式。從實測結(jié)果可以看出，隨著圓弧向直線的過渡，主應(yīng)力逐漸變大，采用圓弧過渡形式能很好地減小應(yīng)力集中。日本規(guī)范中規(guī)定，當圓弧過渡段圓弧半徑R與桿件高度D之比＞1/5時，可不考慮過渡段應(yīng)力集中的影響。在該試驗?zāi)Ｐ椭?，R/D= 1/2。通過試驗證明，圓弧過渡段設(shè)計合理，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖6 圓弧過渡段應(yīng)變測點布置

圖7 圓弧過渡段最大主應(yīng)力曲線

3.4 上弦桿軸力傳遞

為探究軸力在上弦桿中的傳遞情況，在上弦桿上、下翼緣板軸線位置布設(shè)單向應(yīng)變測點，測點布置見圖8，軸向應(yīng)力曲線見圖9。

由圖9可知，在不同工況下，上、下翼緣板軸向應(yīng)力實測值與理論值能較好吻合。上、下翼緣板端部所受壓應(yīng)力較大，中部壓應(yīng)力較小，實測最大壓應(yīng)力分別為－163.81，－163.02 MPa。上弦桿中部各桿件交接處，受力復雜，應(yīng)力較大，在設(shè)計時需重點關(guān)注。上弦桿軸向應(yīng)力呈梯度變化，從側(cè)面證明了軸力次彎矩的存在。

圖8 上、下翼緣板應(yīng)變測點布置

圖9 上弦桿軸向應(yīng)力曲線

4 結(jié)語

通過對該節(jié)點模型進行實測與理論分析，可以得出以下結(jié)論。

1)在最不利荷載工況下，節(jié)點模型所受最大主應(yīng)力為254.65 MPa，位于上弦桿與斜桿過渡段，最小主應(yīng)力為－202.03 MPa，位于錨拉板與上弦桿焊接處，均低于鋼材的屈服強度370 MPa，驗證了節(jié)點設(shè)計的合理性和安全性。

2)實測結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合較好，應(yīng)力實測值與理論值之比大部分在0.65～1.10。因此，采用合理的有限元模型計算復雜節(jié)點受力是可行的。

3)通過分析上弦桿的應(yīng)力分布可知:焊接處應(yīng)力偏大，主要是應(yīng)力集中所致;錨拉板與上弦桿焊接處應(yīng)力普遍偏大，且焊接部位中部應(yīng)力大，端部較小;采用適當半徑的圓弧過渡形式，可有效減小應(yīng)力集中;上弦桿軸向應(yīng)力呈梯度變化，且中部各桿件交接處，受力復雜，應(yīng)力較大，在設(shè)計時需重點關(guān)注。

4)節(jié)點模型試驗結(jié)果合理、可靠，能反映實際結(jié)構(gòu)的受力特性，本文的理論分析和試驗結(jié)果可為類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究提供參考。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］桂國慶，余長征.鋼橋鋼梁整體節(jié)點疲勞試驗研究［J］.工程力學，2001，81(4):38－44.

［3］王天亮，王邦楣，潘東發(fā).蕪湖長江大橋鋼梁整體節(jié)點疲勞試驗研究［J］.中國鐵道科學，2001，22(5):93－97.

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Model test for key joints of extra-kilometer-span highway and railway shared cable-stayed bridge

XIAO Xin1，2，PAN Yongjie1，2，TIAN Yue1，2，LE Sitao1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High－speed Railway，Beijing 100081，China)

In order to study the behavior of the integral joint structure of main truss，a 1∶2 geometric scale model test and finite element analysis of key joint A60 in Hutong Changjiang River Bridge were conducted.T est results show that in the case of the most unfavorable load，the maximum stress in the joint zone is within the allowable stress，verifying its safety and reliability.The maximum stress appears at welds and the circular arc transition section because of stress concentration，which can be effectively reduced by using the appropriate radius of circular arc transition form.The test results verify the rationality of key joint design of Hutong Changjiang River Bridge and may provide an important basis for similar projects.

Integral joint;Key joint;M odel test;Finite element analysis

U448.21+6

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.10

(責任審編 鄭冰)

1003－1995(2015)10－0051－05

2015－07－03;

2015－09－02

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G001－A－2)

肖鑫(1988—)，男，博士研究生。