大跨钢桁梁悬索桥整体节点数值疲劳性能研究

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由于整体节点具有技术成熟、整体性好和便于预制拼装等优点,使用整体节点作为主梁构造的新建大跨钢桥也越来越多。然而整体节点的构造十分复杂,在车辆的循环作用下非常容易出现疲劳问题。因此,整体节点的疲劳性能受到了广泛的关注和重视。本文以湖北白洋长江大桥为工程背景,采用数值模拟的手段对钢桁架最不利整体节点进行了疲劳性能的研究。
  首先,使用有限元软件Midas/Civil建立全桥模型,采用根据白洋长江大桥实际预测交通量推导得到的482kN标准疲劳车,作为疲劳车辆在最外侧车道上加载,得到各类杆件的最不利位置。综合比较选取距离跨中412.5米的881号节点为最不利节点。基于英国规范BS5400对交通量的规定和Miner线性累积损伤理论公式,计算得到上弦杆、竖腹杆、斜腹杆的200万次等效轴力幅分别为3293kN、778kN、2037kN。
  其次,设计了1∶4的钢桁梁节段缩尺模型及相应工装。拟定单节点加载的疲劳试验方案,通过Midas/Civil建立节段模型,确定试验加载幅值为500kN。使用有限元软件AnsysWorkbench开展数值疲劳试验。将轴力幅划分为15个荷载工况模拟分级加载,并提取了6个典型测点的等效应力值并分析应力规律。结果表明:在加卸载过程中节点模型保持弹性状态,H8测点的vonMises应力值最大,为128.14MPa,位于节点板与右斜腹杆连接处,静力计算结果满足要求。在静力计算结果下插入FatigueTool,使用Goodman模型分析整体节点的疲劳寿命和疲劳安全系数,并计算杆件的疲劳损伤度。结果表明:整体节点最小疲劳寿命为200万次,最小的疲劳安全系数为1.26>1,各个杆件的疲劳损伤度均小于1,说明整体节点的疲劳性能满足要求,白洋长江大桥整体节点在设计寿命期内不会发生疲劳破坏。
  最后,通过选用不同的平均应力修正模型和应力比R,研究整体节点疲劳安全系数的变化规律。经过对比发现:三种模型修正后结构的疲劳安全系数值均有所降低,选用Goodman模型,对整体节点进行疲劳分析是合理的,分析结果较为保守。对于同样的疲劳荷载幅值,随着应力比R的逐渐增大,结构的疲劳安全系数值也随之增加,对结构疲劳性能有利。针对实际工程中的高强螺栓失效现象,分别建立了斜腹杆螺栓缺失模型和竖腹杆螺栓缺失模型。分析表明:整体节点高强螺栓的缺失将会引起杆件应力值的增高和疲劳安全系数的降低。斜腹杆螺栓缺失将降低疲劳安全系数6.44%,竖腹杆螺栓缺失将降低疲劳安全系数7.28%,对于大桥的正常使用较为不利。
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