设计人员关心重视的问题。本文以上莘大桥为工程背景，基于ANSYS有限元软件对该桥的整体节点应力进行了分析，得出了在最不利工况下整体节点应力分布云图，从而证明了整体节点构造设计的合理性，并对整体节点性能给出总的评价。分析结果为今后钢桁架桥的研究与合理设计提供了相关的参考数据。
Abstract： In recent decades， along with the increase of steel truss bridge span and the develop-ment of welding technology， the integral joint began to widely used in steel truss bridge. With the popularization of steel truss bridge， analysis of the integral joint of this kind of bridge has gradually become the designers of the attention problem. In this paper， the Shangshen bridge as the engineer-ing background， based on the finite element sofeware ANSYS the integral joint stress of the bridge are analyzed， obtained in the most unfavorable condition of integral joint stress distribution nephogr-am， which proved that the rationality of the integral joint structural design， and give the total evalua-tion of the integral joint performance. The analysis results provide reference data for research and reasonable design of steel truss bridge in future.
关键词： 钢桁架桥；整体节点；有限元法；应力分析
Key words： steel truss bridge；integral joint；finite element method；stress analysis
中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0113-05
0 引言
钢桁架整体节点利用焊接一改从前利用大量螺栓连接钢梁的做法，使钢梁加工实现了工厂化，现场拼装经济、简单，节省了现场的作业空间，使工地环境得到了改善，因此这种钢梁结构和加工方法在桥梁施工领域广受好评。桥梁结构由许多个功能各异的节点构成，大部分节点都是焊接在一起，连接处有焊缝，应力分布不均衡，整体构造十分复杂。但是对于整体节点的处理，目前桥梁制造领域尚无合理合法的技术规范可供参考，为了验证桥梁连接节点的合理性，有必要深入研究钢桥整体节点结构，掌握其应力分布特点，以期形成一套能够控制节点整体质量的有效方案。
1 工程概况
上莘大桥是长兴县经四路南延工程上跨长兴港的一座南北向半穿式连续钢桁架桥，全长224m，其跨径布置为（62+100+62）m。桥面宽30 m，横断面布置为2×0.25 m（栏杆）+2×1.75 m（人行道）+2×3 m（非机动车道）+2×2 m（隔离带）+2×8 m（机动车道）。图1为大桥的主体结构。上莘大桥采用Q345qD级钢材拼桥体结构，用M24高强螺栓连接各构件，桥体设计荷载为城-A级，人群荷载按3.5kN/m2进行计算。
主桁采用无竖杆的华伦式三角形腹杆体系，并采用刚性较大的整体节点主椼、下平纵联、横撑及桥门架为杆系结构，采用组合式节点板作为支撑平台。主桁中心距为18.08m。两片桁架相距较远，因而整座桥体全部设置双X形下平联。横撑、桥门架、上平联一律按设计图安装在桁架中墩相应的部位上。为了抵御横向风力，同时防止弦杆变形产生内应力，下平联的节点部位应该连接下弦杆。
由于结构与载荷的对称性，本文只针对该桥梁应力分布最为复杂的下弦杆X7、上弦杆S7节点进行分析，各杆件编号如图2。
2 空间有限元分析计算模型[1～4]
计算模型采用ANSYS对整体节点进行局部应力分析。图3、图4分别为下弦杆X7、上弦杆S7节点的计算模型的边界及载荷条件。根据圣维南原理，有限元分析会影响支承点和载荷分布，导致其局部应力不均衡，为了规避这一影响因素，保证整体节点局部分析的准确性，整体节点两端分别取大于500mm的弦杆与整体节点进行综合分析。用拼接钢板将整体节点和弦杆焊接起来，再借助高强螺栓与腹杆连接。由于高强螺栓以摩擦传力进行联结，因而在分析计算时计算模型按刚接形式进行模拟，利用Midas/Civil有限元软件对加载桁架进行整体受力分析，并得出在最不利工况下各截面上的轴力和弯矩。为了提高有限元模型分析结果的准确性，将集中力及集中力偶转化成所需的应力荷载，使之作用于对应的面上，以降低某些单元在集中力的影响下出现应力奇异现象。
为了能够真实反映整体节点的局部受力状态，计算模型按照整体节点及各杆件的实际尺寸进行建立，并包含整体节点连接的各个杆件、隔板和加劲肋等构件。考虑到板厚效应，拟用三维实体单元和四面体实体单元solid45来模拟分析该计算模型。另外，为了尽快得到更精准的分析结果，在辅助的弦杆、腹杆上单元设置较稀疏的网格，在目标节点各部位设置较密集的网格，借助Refine细化危险的位置，最终能得到一个更精准的分析结果。考虑到所加载荷均为平衡力系，本文下弦杆X7节点取约束支承处的所有节点的平动自由度作为几何边界条件，而上弦杆S7腹杆节点自由端中心部位全截面加固结约束。划分网格并加载后的模型如图5～6所示。
3 节点应力计算与结果分析
从计算结果可以看出，圆弧处、厚薄对接以及构件对接的位置存在局部应力集中的现象，如应力集中点在节点两侧圆弧部位；其次在弦杆与下平板、内侧隔板和加劲肋与弦杆竖板等几个厚薄对接位置；腹杆与弦杆对接等位置均为应力集中点，节点构造设计时需多加注意。下面对上述的应力集中点位置进行相应地分析。
3.1 节点两侧圆弧部位应力分析
根据分析结果得知，圆弧处应力集中现象最严重，X7节点最大VonMises等价应力为114MPa（如图7），S7节点最大VonMises等价应力为94.2MPa（如图8）。计算值偏大的原因可能是距离圆弧较近的贴角焊缝也存在应力集中的问题，如果不及时补救，就可能发展成微观裂缝，高强钢材极易出现这一现象。为了结构稳定，必须采取措施治理应力集中的问题。一般来讲，我们主要通过有限元模型计算所得的最大轴向应力值？滓xmax和弦杆设计应力值？滓x0的比值α来判断是否存在应力集中的现象。关于单面突出的节点板的圆弧处应力集中现象，西田正孝[5]等学者已通过光弹分析得到了准确的应力集中系数。如图9所示，利用光弹试验对两面突出部的板的盈利集中现象进行分析，给该板施加拉应力，得到图10（a）和（b）所示的该节点板在承受拉应力时所产生的应力集中系数kP及弯矩作用下的应力集中系数kM。如果是局部突出部的板，施加拉应力，所得到的应力集中系数则小于图10所示的应力集中系数，此时可从图11查出其折减系数k。
在上式中，P为作用于弦杆端部的轴向力，M为用于弦杆端部的弯矩。如果是桁架桥的二次应力较小，第2项就可忽略不计。
在结构模型计算过程中，节点板应力集中的问题始终存在，应该适当增加节点处弦杆的板厚，同时在板的两个侧边分别设一坡口焊缝焊接起来，或者在节点处设置弦杆工地接缝，另一边设坡口焊缝，这样也能调整节点板的厚度。通过焊接连接在一起的节点结构，通常采用图12中示出的三种方式。图12（a）是弦杆应力比较小、节点板材质强度比弦杆高、板厚也比弦杆大时所采用的二分法，图12（b）及（c）是弦杆应力比较大，节点板板厚及材质都不如弦杆时所采用的方法。但对图12（b）来说，弦杆和节点板的结合部、特别是圆弧部应力集中的地方，和焊缝收剧烈高温的热影响区想重合，这是它的缺点。所以图12（c）是理想的连接方式。从分析结果来看，假设翼缘到焊接部的距离为h，令h≥250mm，就能有效规避焊接热影响区与应力集中部重合的问题。公路桥梁规范规定：当受压弦杆的腹板和节点板采用整体连接构造时，圆弧的半径rj不得小于腹板高度的1/5。危险点放大后应力分布云图如7所示。
3.2 内侧节点板应力分析
由于在内侧节点板上焊接有平联节点板和横梁连接板，以及节点板与腹杆连接处，其应力分布十分复杂，而且应力集中现象较严重的部位在平联节点板两端，因此可能对整体节点的连接质量和稳定性造成威胁。根据图13所示的内侧节点板应力分布情况不难看出，内侧节点板下方是危险位置。除此以外，横梁与内侧节点板连接处、节点板与腹杆连接处都存在不同程度的应力集中现象，其最大VonMises应力为151.0MPa。
该节点板剪应力分布自下而上逐渐增大，而水平分布看上去像一个抛物线，而且圆弧处的应力分布是反向的。图14为剪应力分布情况。
Carter，McCalley，Wyly，Whitmore根据实验研究得出了关于节点板应力分布的结论：相当大的应力集中 乃发生在腹杆端部的节点板截面内。根据图15可以看出，这一部位的应力分布不均匀，应力集中系数？滓max/？滓0≥2。由此，我们可以自节点板斜边和腹板边的夹角∠ACD作分角线，交断面AA于两E点（如图16所示），将EE视为有效宽，并设在此有效宽范围内应力均匀分布，就能通过计算得到腹杆连接锚拴群的顶端DD处的最大应力值？滓max=P/Bet。
这种应力集中现象一般会导致屈服现象提前发生，或者造成疲劳破坏、脆性破坏等不良后果。局部屈服对承载力的影响程度基本可以忽略不计。但是如果焊缝处出现应力集中，就有可能导致脆性破坏。为避免出现不良后果，在结构设计上，应该让这个应力区远离焊缝。另外，应力集中所引起的疲劳破坏对整体借点来说十分不利，应该尽力避免这个问题。
3.3 等宽不等厚对接部位的应力分析
在薄板与厚板对接部位都存在应力集中现象，由于篇幅原因，在此仅给出构造复杂、应力分布不规则的上（下）平板与隔板的应力分布图。如图17～18所示，X7节点其最大VonMises应力为151.0 MPa，S7节点其最大VonMises应力为84.5MPa。
4 结论
本章通过对上莘大桥对整体节点的局部应力分析，初步掌握了整体节点的应力分布规律，验证了结构设计的可靠性，主要结论如下：
①节点集中各种构造，受力较为复杂。内侧节点板由于焊接有平联节点板和横梁连接板以及腹杆，其应力分布较外侧节点板要复杂得多；平联节点板两端、对接焊缝、节点板两端圆弧过渡段及等宽不等厚对接部位是应力集中的主要部位，设计、制造、使用过程中需要重点注意。
②在平联节点板两端采用圆弧过渡、焊后沿圆弧受力方向打磨匀顺并采用捶击可以有效降低该部位的应力集中，可以提高其疲劳性能，该部位从应力分布图可以看出有局部应力集中现象，应予以重视。
③在节点板两端圆弧过渡处，选择合适的圆弧半径并于焊后沿受力方向打磨，可以减小其应力集中现象。
④不等厚对接焊缝处采用1：10斜坡过渡，焊后磨光，接头能够有效降低接头处应力集中系数。
⑤节点板剪应力分布规律是：自下而上逐步增大，剪应力较大的部位是节点板纵向对称线的上部附近。
综上所述，整体节点结构受力较为复杂，能够合理的处理构造细节，并采用先进的焊接与制造工艺，可以有效的提高其结构性能。
参考文献：
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