钢-混组合梁斜撑节点板疲劳数值模拟分析.pdfVIP

钢-混组合梁斜撑节点板疲劳细节分析

摘要

当代桥梁都有着各种不同结构模式，在众多的桥梁结构中，通过不断的对比各种桥

梁结构的性能，发现钢-混组合梁有着较好的结构性能。因此本文选择钢-混组合梁进行

研究。同时由于结构的缺陷，桥面上车辆不断的超载以及残余应力引入的影响使得结构

容易产生疲劳裂纹。因此我们需要对容易产生疲劳裂纹的位置进模拟分析，为之后的结

构设计提供数据。本文通过研究钢-混组合梁节点板处的疲劳细节响应，残余应力以及疲

劳裂纹扩展进行深入的分析。下面为具体内容：

1.建立钢-混组合梁全桥模型，全桥一共设置三条车道，找出最不利位置，共分析两

处节点板细节，分别为3号支座处和4号支座处。利用公路桥涵设计通用规范（JTGD60-

2015）给出的公路Ⅱ级车辆荷载。模拟结果显示：当车辆行驶到最不利位置处，节点板

细节处所受到的应力值最大。其中第二车道所受到的应力值比第一、第三车道所受到的

应力值大。3号细节处和4号细节处在第二车道的应力峰值分别为43.2MPa和55.9MPa。

通过改变桥梁参数，分析了三种参数变化对最不利位置的影响。当改变节点板厚度时，

其细节处的最大值随着节点板厚度的增加不断减小。当改变斜撑与节点板搭接长度时，

斜撑与节点板搭接长度对其细节处基本无影响。当改变斜撑厚度时，其细节处的最大值

随着斜撑厚度的增加不断增大。

2.建立不同厚度的节点板实体子模型。对其利用顺序耦合法进行分析。利用生死单

元法对温度场进行分析。然后将温度场的结果作为温度荷载来进一步计算应力场结果。

模拟结果显示：容易萌生的裂纹的位置A处焊接残余应力值最大。三种不同厚度在A点

处的焊接残余应力值分别为388.6MPa、389.2MPa、388.8MPa。

3.建立了三种不同节点板厚度的跨尺度有限元模型。基于扩展有限元方法，同时引

入残余应力与初始缺陷，对三种不同节点板厚度在不同细节位置处的有限元模型进行疲

劳裂纹扩展模拟分析。模拟结果显示：两类细节处裂纹扩展方向基本一致，3号细节处

裂纹扩展速率比4号细节处扩展速率慢，随着节点板厚度的增加，裂纹扩展速率越慢。

裂纹是以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，同时随着循环次数的增加，Ⅱ、Ⅲ型

的占比逐渐增多。随着节点板厚度的增加，Ⅱ、Ⅲ型裂纹占比逐渐减小。

关键词：钢-混组合梁；焊接残余应力；断裂力学；扩展有限元。

钢-混组合梁斜撑节点板疲劳细节分析

Abstract

ContemporaryBridgeshavedifferentstructuralmodes.Throughcontinuouscomparison

oftheperformanceofvariousbridgestructures,itisfoundthatsteel-concretecompositebeams

havebetterstructuralperformance.Therefore,thispaperchoosessteel-concretecomposite

beamtostudy.Atthesametime,duetothedefectsofthestructure,theconstantoverloadof

vehiclesonthebridgedeckandtheinfluenceoftheintroductionofresidualstressmakethe

structureeasytoproducefatiguecracks.Therefore,weneedtosimulateandanalyzethe

locationswherefatiguecracksareeasytooccurtoprovidedataforthesubsequentstructural

design.Inthispaper,thefatiguedetailresponse,residualstress,cracksandreinforcementof