钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数研究

钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数研究

李 大壮

西华大学 建筑与土木工程 学院 , 四川 成都 610039

摘 要：通过对钢管混凝土十字型相贯节点有限元分析，研究了在轴向拉力作用下的管节点的应力集中系数。结果表明：轴向拉力荷载作用下钢管十字型相贯节点的应力集中系数沿着相贯线是分布是不均匀的，轴向拉力荷载作用下钢管混凝土十字型相贯节点的应力集中系数是沿着一定规律变化的。

关键词：钢管混凝土相贯节点；有限元分析；应力集中系数

0 引言

钢管混凝土桁架结构通常承受风荷载、车辆荷载等疲劳作用荷载且相贯节点连接构造几何形态复杂，不同的焊接部位应力分布差异显著，疲劳问题突出^[1]。往往采用热点应力法评估相贯节点的疲劳寿命，而相贯节点焊缝处的应力集中系数是热点应力法的重要参数^[2]，影响管节点应力集中系数大小的因素是β、γ、τ，通过以往研究发现管节点疲劳破坏的位置往往是管节点的冠点和鞍点位置。由此可见，通过对管节点应力集中系数的研究来判断疲劳问题是很有意义的。

1 有限元分析

1.1模型建立

采用ANSYS WORKBENCH软件对钢管混凝土十字型相贯节点进行模拟研究分析，采用SOLID187单元模拟钢管，SOLID65单元模拟混凝土，钢管和混凝土之间的界面关系使用bonded命令连结，网格划分采用自由划分的方式。

1.2模型几何参数

表1.模型几何参数

表中⑧号为空钢管，其余7组均为钢管混凝土十字型管节点，①②③为第一组对比β变化时，管节点应力集中系数变化情况；②③④为第二组对比τ变化时，管节点应力集中系数变化情况；②⑥⑦为第三组对比γ变化时，管节点应力集中系数变化情况②⑧为第四组对比空钢管和钢管混凝土十字型管节点的应力集中系数变化情况。由于疲劳破坏时发生在弹性阶段的破坏，故本文不需考虑钢材和混凝土的本构，仅需设置钢材和混凝土的弹性模量即可，钢材为20号钢，弹性模量为206GPa，泊松比为0.269，C50混凝土的弹性模量为30GPa,泊松比为0.18。

表2. β变化有限元分析结果

从表2中可以看出，β变化时，

（1）2号试件支管鞍点处的应力集中系数最大，值为2.20，并且1、2、3号试件的应力集中系数最大值均出现支管鞍点处；主管鞍点处的应力集中系数也较大，说明鞍点是危险点。

（2）1、2、3号试件各自主管冠点到鞍点的应力集中系数都是逐渐增大，冠点最小；支管冠点到鞍点的应力集中系数也是逐渐增大，冠点最小。无论是支管还是主管，冠点到鞍点的应力集中系数都是逐渐增大的趋势。

（3）1、2、3号试件之间主管冠点、45°点、鞍点和支管冠点、45°点、鞍点，都呈现出1到2增大，2到3减小的趋势。

表3. τ变化有限元分析结果

由表3可以知道，在τ变化时：

（1）2、4、5号试件应力集中系数最大的位置出现在支管鞍点处，最大值为2.20；主管鞍点处的应力集中系数比主管其他位置都大，说明鞍点是危险点。

（2）2、4、5号试件各自主管冠点到鞍点的应力集中系数都是逐渐增大，冠点最小；支管冠点到鞍点的应力集中系数也是逐渐增大，冠点最小。无论是支管还是主管，冠点到鞍点的应力集中系数都是逐渐增大的趋势。

（3）2、4、5号试件之间主管冠点、45°点、鞍点和支管冠点、45°点、鞍点，都呈现出逐渐减小的趋势。

表4. γ变化有限元分析结果

由表4可以知道，在γ变化时：

（1）2、6、7号试件应力集中系数最大的位置出现在支管鞍点处，最大值为2.20；主管鞍点处的应力集中系数比主管其他位置都大，说明鞍点是危险点。

（2）2、6、7号试件各自主管冠点到鞍点的应力集中系数都是逐渐增大，冠点最小；支管冠点到鞍点的应力集中系数也是逐渐增大，冠点最小。无论是支管还是主管，冠点到鞍点的应力集中系数都是逐渐增大的趋势。

（3）之间主管冠点、45°点、鞍点和支管冠点、45°点、鞍点，都呈现出逐渐减小的趋势。

2 结论

（1）在支管受轴向拉力荷载作用下，钢管混凝土十字型相贯节点的危险点均为鞍点，其中支管鞍点应力集中系数最大。

（2）β在0.4~0.5之间逐渐增大时，钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数呈逐渐增大趋势；β在0.5~0.637之间逐渐增大时，钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数呈逐渐减小趋势。

（3）τ在1.0~0.667之间逐渐减小时，钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数呈减小趋势。

（4）γ在8.5~12.75之间逐渐增大时，钢管混凝土十字型相贯节点应力集中系数呈减小趋势。

参考文献：

[1] 徐升桥，彭岚平．铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计与试验研究[J]. 铁道工程学报，2013，30(7):40-46．

[2] GB 50923-2013,钢管混凝土拱桥技术规范[J]. 北京:中国计划出版社，2013．