全焊接整体式节点腹板开孔形式应力影响分析

傅宇成

(西南交通大学，四川成都 610000)

1 钢梁整体式节点

1995年，我国在孙口黄河大桥中首次采用整体焊接节点技术，但由于焊接的疲劳问题，采用了内插式的栓焊节点构造形式连接腹杆[1]，希望通过一定的螺栓连接保证节点连接的可靠性。随后在国内钢桥的整体式节点设计上普遍采用以螺栓连接为主，焊接连接为辅的栓焊连接形式连接腹杆[2]。虽然栓焊连接能部分避免焊缝所带来的疲劳问题，但是栓焊连接形式连接腹杆由于螺栓的存在也有其弊端。一是桥上螺栓有可能松脱掉落到桥面上危及过往车辆与行人的安全；其次，螺栓群并不能均匀承受轴力[3]，在轴力作用下前排螺栓受力大，如果前排螺栓被剪断后则会导致后排螺栓也被剪断，最后腹板连接处的连接失效，使结构存在隐患；最后，螺栓的存在会使桥梁的外观效果较差，这在城市桥梁中特别需要避免。因此，随着国内钢桥施工与设计水平的提高，必然存在着以焊接为腹板主要连接形式的整体式节点的发展趋势[4]。

在钢桁架结构设计中连接多根杆件的节点构造形式主要分为两种：一种是各杆件单独制造，在节点处通过较大的节点板与各根杆件通过焊缝连接从而形成整体，即普通节点。另一种构造形式是把节点单独作为一个制造单元，然后各杆件与节点单元通过焊缝连接成为一体，即节点为单独的整体式节点。

对比两种形式，节点板构造需要较多而复杂的拼接板制造复杂，同时连接的整体性较以节点为单独制造单元的整体式节点差，因此在节点构造形式的选择上已趋向于采用整体式节点。

对于整体节点的节点板，张建民等[5]分析了不同节点板宽度(d)以及节点板圆弧半径(R)与整体节点最大应力集中系数(Kmax)的关系；对于整体式节点腹杆与节点板的连接方式，乔晋飞等[6]通过实测资料研究了腹杆与节点板的连接，并得出整体节点及其它钢结构设计细节中应贯彻大弧、缓坡等措施提高疲劳性能等结论。但对于腹板开孔形式对应力的影响，虽然在构造上已有一些普遍认识，但是在腹板与整体节点弦杆连接处开孔的必要性与开孔的形式仍然没有细致的分析研究，因此本文通过有限元法建立节点试验模型，分析在整体式节点的腹板连接处开孔的必要性，并通过对比不同的开孔形式,从而得出一种较合理的构造形式。

2 有限元模型

2.1 模型参数

考虑桁架结构主要受轴力影响，因此采用对称的整体式节点，节点两端采用多点铰接约束，节点中设一竖杆，对竖杆顶端施加集中荷载，模型尺寸如图1所示。

图1 力学模型(单位：mm)

2.2 有限元模型

由于焊接残余应力对整体式节点板的静力强度没有影响，而本文着重讨论的是腹板与节点连接处开孔形式对应力的影响，因此没有考虑焊缝应力的影响。有限元模型采用四面体实体单元。在整体式节点两端面的所有节点上均约束了三个方向上的平动自由度，与试验力学模型一致。

另外，在整体节点板与竖杆连接处应力状态较为复杂，同时也是研究关注的地方，故对该处进行网格细分，在节点板过渡圆弧处为50等分，在腹板开孔处为200等分。其余地方按100 mm划分，细分结果如图2所示。

图2 有限元模型

对于竖杆顶端受集中力作用处考虑实际为全截面均参与受力，故在竖杆顶端建立刚性连接单元，联结端面所有节点到一个加载节点上，再把集中荷载施加到加载节点，从而模拟实际受力。

模型1为腹板与整体式节点连接不采取开孔，直接与节点弦杆上顶板相连；模型2至模型5为不同形式的开孔,分别为矩形孔、不设过渡直线的圆弧孔、与腹板翼缘相切的圆弧孔、设过渡直线的圆弧孔；模型5至模型10为现在使用较多的腹板开孔形式的不同径宽比(R/d，其中R为开孔弧线的半径，d为腹板宽度)的比较。以上开孔位置为距整体式节点弦杆顶板100 mm处开始，且整体式节点与竖杆的焊缝位置不变。

3 计算结果及分析

为了计算分析整体式节点与腹板连接处开孔的必要性及合理的开孔形式，依据上节有限元数值试验模型的建立方法共建立了10个模型(表1)。

3.1 节点开孔必要性

加载后腹板应力状态如图3所示。集中力作用在竖杆截面上所引起的平均应力为11.166 MPa。由图可以看出，力作用在竖杆顶端后沿竖杆向下传递，在竖杆高度1/2左右处力流开始向竖杆的翼缘移动，从而通过整体节点的侧板传递支承处。而在竖杆腹板与节点弦杆上顶板相接处出现明显的卸载现象，使得这部分腹板应力值为2.450 MPa左右，卸载率为78 %。因此，在腹板与整体式节点直接相连接的情况下，整体式节点在承受竖杆传来的竖向荷载时，主要通过节点两侧板传力，所以在腹板与整体式节点连接处采用开孔相连的方式，不但可以减少结构自重，而且可以使整体式节点传力更加明确,这在结构设计中是有其必要性的。

图3 模型1应力状态

3.2 节点开孔形式对比

模型2至模型5加载后应力状态见图4。腹板底边中点处应力值见表2。

表2 腹板底边中点、边缘应力值 MPa

图4 模型2至模型5应力状态

由图4可知，在腹板底缘与整体式节点弦杆上顶板不再接触后，在腹板底缘与节点侧板相接处容易引起应力集中。

由图4(a)可知，矩形开孔形式在腹板底缘仍然受一较均匀的应力值，数值接近11 MPa，与腹板平均应力11.166 MPa接近。同时，卸载区在底缘上方。

由图4(b)可知，不设过渡线的圆弧开孔上出现交替应力，直线段与圆弧线相接处应力值接近0.1 MPa。同时，在圆弧中点处有一应力集中，数值比矩形开孔大。

由图4(c)可知，与腹板翼缘相切的圆弧孔开孔形式的应力交替现象比不设过渡线的圆弧开孔大，但与节点侧板相接处应力值较小。同时，在圆弧中点处有一应力集中，数值与范围比不设过渡线的圆弧开孔大。

由图4(d)可知，设过渡直线的圆弧孔较符合力向腹板两侧传递的趋势，在直线段引起的应力值较小。但是其与节点侧板相接处应力较其他开孔形式的大。

综上所述，为避免节点底缘上的应力交替出现，使应力集中出现在多区域及卸载区出现于底缘上方，不便于开孔作业，因此模型5的开孔方式较其他开孔方式有力线传递顺直，便于开孔的优点。

3.3 设过渡直线的圆弧孔径宽比对比

模型10加载后应力状况见图5。模型5至模型9加载后应力状态与模型10类似，为图4(d)至图5间变化。腹板中点处应力集中系数随着径宽比的变化情况如图6所示。

图5 模型10应力状态

由图6可知，腹板中点处应力集中系数随着宽径比的增大而减小，其减小程度一开始较大，随后趋缓。然而随着开孔圆弧半径的增大，过渡直线段减短，圆弧与过渡直线段相切处附近出现较大应力值，使腹板开孔处出现交替应力。

图6 腹板中点应力集中系数与径宽比关系

因此，整体式节点腹板的开孔形式并不是宽径比越大腹板应力集中系数就越小，其应当遵循着一个规律：在腹板宽度确定以后，腹板开弧半径不应太大，以免影响竖向力流的传力，从而引起除腹板中点外的应力过于集中，其较合理的径宽比为0.4左右。

4 结论

本文针对整体式节点的腹板与节点弦杆上顶板连接处是否需要开孔以及开孔的形式进行了讨论。其中，对于腹板是否开孔采用了建立腹板与顶板直接连接的有限元模型，从而分析其在该状况下的应力状态，考虑是否有不相接后的优化空间。对于腹板开孔形式，本文讨论了两个方面，一方面是通过建立有限元模型，对比分析了腹板开孔分别为矩形孔、不设过渡直线的圆弧孔、与腹板翼缘相切的圆弧孔、设过渡直线的圆弧孔，这四种开孔形式的特点；另一方面，通过对比分析设过渡直线的圆弧孔这一开孔形式的不同径宽比下的应力状态，找寻其随着径宽比变化的规律。本文的主要结论如下：

(1)整体式节点中，腹杆的腹板开孔有其必要性。其开孔后能使结构自重减少，同时使节点的传力更加明确。

(2)在矩形孔、不设过渡直线的圆弧孔、与腹板翼缘相切的圆弧孔、设过渡直线的圆弧孔，这四种开孔形式中，设过渡直线的圆弧孔较符合竖向力力流的传递，通过设置合理的宽径比与圆弧开孔到腹板底缘的距离可以达到只有圆弧中点有最大的应力集中，并且该应力集中不太大。

(3)设过渡直线的圆弧孔这一开孔形式的合理径宽比为0.4。但为了降低腹板底缘与腹板翼缘相接处的应力集中现象，应结合与腹板翼缘相切的圆弧孔的开孔形式的优点，在该处相切倒弧再接过渡直线段，而不采用直线与腹板翼缘相接的形式。