大跨径双层悬索桥钢桁梁整体焊接节点疲劳分析与试验

发布时间：2019-10-23 16:11

【摘要】：为了给大跨径钢桁梁悬索桥抗疲劳设计提供依据,针对杨泗港长江大桥钢桁梁采用的整体焊接节点,开展了多轴疲劳荷载作用下整体焊接节点的有限元疲劳分析和试验研究。首先通过建立全桥有限元模型,基于英国BS 5400规范和Miner准则,获得了在标准疲劳车作用下全桥最不利整体节点及其各杆件200万次等效疲劳轴力幅;其次建立最不利整体节点空间精细化模型,通过对各轴向杆件施加200万次等效疲劳轴力幅,进行了多轴荷载下整体节点的疲劳性能分析;最后基于相似理论,设计了1∶6的整体焊接节点缩尺模型,进行多轴荷载下的疲劳试验研究。结果表明:位于距主塔297m距离的F34节点为疲劳最不利下弦杆整体节点;F34节点最大Von-Mises应力在78.8~130.6 MPa,小于设计规范的疲劳强度;200万次的模型疲劳加载试验过程中,未发现任何疲劳裂纹产生,各测点的应力值与理论值误差小于7.8%;杨泗港长江大桥钢桁梁整体焊接节点疲劳性能满足设计要求,研究成果对大跨径双层悬索桥抗疲劳设计具有直接的指导作用。
【图文】：

总体布置,武汉,主桥,单位

本文以武汉杨泗港长江大桥为背景，首先通过建立全桥有限元模型，基于英国ＢＳ５４００规范和Ｍｉｎｅｒ准则，获得在标准疲劳车作用下全桥最不利整体节点及其各杆件２００万次等效疲劳轴力幅；其次建立最不利整体节点空间精细化模型，进行多轴荷载下整体节点的疲劳性能分析；最后基于相似理论，设计了１∶６的整体焊接节点缩尺模型，进行多轴荷载下的疲劳试验研究。１工程概况武汉杨泗港长江大桥主缆跨度布置４６５ｍ＋１７００ｍ＋４６５ｍ＝２６３０ｍ，主跨矢跨比为１／９，总体布置如图１所示。图１武汉杨泗港长江大桥主桥总体布置（单位：ｍ）Ｆｉｇ．１ＡｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆＭａｉｎＢｒｉｄｇｅｏｆＷｕｈａｎＹａｎｇｓｉｇａｎｇＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅ（Ｕｎｉｔ：ｍ）９７第３期邓晓光，等：大跨径双层悬索桥钢桁梁整体焊接节点疲劳分析与试验

整体焊接节点,单位

钢桁梁由主桁架、横梁和正交异性桥面板组成，主桁架为带竖腹杆的华伦式桁架结构，桁高为１０ｍ，标准节间长为９ｍ，主桁架左、右弦杆中心间距为２８ｍ，横断面如图２所示。主桁架的上、下弦杆设有整体节点板，斜腹杆和竖腹杆通过整体节点板与上、下弦杆连接。上、下弦杆及斜腹杆均采用箱形截面，竖腹杆采用Ｈ形截面。整体节点构造如图３所示。钢桁梁整体焊接节点承受巨大的交通荷载，受力状况十分复杂，开展整体节点疲劳性能分析与试验研究十分必要。图２横断面布置（单位：ｍｍ）Ｆｉｇ．２ＬａｙｏｕｔｏｆＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）图３整体焊接节点构造示意（单位：ｍｍ）Ｆｉｇ．３ＤｅｔａｉｌＤｒａｗｉｎｇｏｆＩｎｔｅｇｒａｌＷｅｌｄｅｄＪｏｉｎｔ（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）２多轴荷载下整体焊接节点疲劳分析桁架疲劳加载方式会导致整体节点受力与实际情况存在差异，试验结果不能反映节点疲劳的实际情况。因此，进行整体焊接节点多轴荷载下的疲劳分析和试验研究是掌握钢桁梁整体焊接节点疲劳性能的新途径。２．１建立全桥有限元模型通过建立全桥有限元模型，基于英国ＢＳ５４００规范和Ｍｉｎｅｒ准则，获得在标准疲劳车作用下全桥最不利整体节点及其各杆件２００万次等效疲劳轴力幅。基于Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ有限元软件，采用索单元模拟主缆、吊索，采用板单元模拟正交异性板，采用梁单元模拟上、下弦杆、竖腹板、斜腹板和横梁，建立武汉杨泗港长江大桥全桥三维有限元模型，共２８３６０个单元（其中１５９５０个梁单元、１２０３２个板单元和３７８个索单元）和１３８８８个节点，如图４所示，，吊索和钢
【作者单位】：武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室;武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室;南洋理工大学机械与宇航工程学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(51378405) 中国工程院重点咨询研究项目(2016-XZ-13) 湖北省自然科学基金重点项目(2016CFA074)
【分类号】：U448.25;U445.583

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