钢桥中错位厚板十字接头的力学性能与补强方法

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.05.016

摘要/Abstract

摘要：

针对钢桥中厚板十字接头出现错位缺陷的问题，采用有限元方法研究了错位缺陷对厚板十字接头力学性能的影响，提出一种分离式焊接钢板补强方法并对补强钢板的尺寸进行优化设计.研究结果表明，错位缺陷对厚板十字接头的力学性能产生较大的影响，板件竖向应力在附加弯矩作用下显著增大.提出的焊接钢板补强方法使得补强后竖向支承板承担大部分轴力与弯矩，强度控制设计截面位于补强钢板底部焊缝处，可通过增加补强钢板的高度提升补强效率，最高可达48%.本文推荐了不同错位量下补强钢板的合理尺寸，可为类似工程中错位厚板十字接头的补强方法提供参考.

关键词: 钢桥, 十字接头, 错位缺陷, 补强方法, 有限元方法

Abstract:

Aiming at the problem of misalignment defects in the cross joint of thick plates in steel bridges， the finite element method was used to study the influence of misalignment defects on the mechanical properties of cross joints of thick plate， and a reinforcement method of welding separated steel plates was proposed and the size of the steel plate for reinforcement was optimized. The results show that misalignment defects have a signficiant effect on the mechanical properties of cross joints of thick plate， and the vertical stress increases significantly under the influence of additional bending moment. The proposed reinforcement method of welding separated steel plates makes the vertical support plate of cross joint bear most of the axial force and bending moment after reinforcement. The key section for design is located near the weld at the bottom of the steel plate for reinforcement， and the efficiency of reinforcement can be improved by increasing the height of the steel plate for reinforcement， up to 48%. Different sizes of steel plates for reinforcement are recommended for cross joints with different misalignments， which can provide a reference for the reinforcement methods of misaligned thick plate cross joints in similar projects.

Key words: steel bridge, cross joint, misalignment defect, reinforcement method, finite element method

中图分类号:

U 441

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图/表 13

图1 拱脚-系梁结合段构造（a）—拱脚；（b）—系梁.

Fig.1 Structure of arch‐tie beam connection

图2 错位厚板十字接头简化力学模型

Fig.2 Simplified mechanical model of misaligned thick plate cross joint

图3 有限元模型（a）—整体模型；（b）—局部模型.

Fig.3 Finite element models

图4 十字接头竖向应力云图注：拉应力为正、压应力为负（a）—无错位；（b）—错位量50 mm.

Fig.4 Vertical stress nephogram of cross joint

图5 分离式焊接钢板补强方法（a）—斜视图；（b）—正视图.

Fig.5 Reinforcement method of welding separatedsteel plates

图6 补强后十字接头有限元模型

Fig.6 Finite element model of reinforced cross joint

图7 补强后十字接头竖向应力云图（a）—错位同侧（不显示补强钢板）；（b）—错位异侧.

Fig.7 Vertical stress nephogram of reinforced crossjoint

图8 补强后十字接头内力分布规律（a）—轴力；（b）—弯矩.

Fig.8 Internal force distribution of reinforced cross joint

图9 补强钢板高度对十字接头力学性能的影响（a）—竖向压应力；（b）—竖向拉应力.

Fig.9 Influence of the height of the steel plates forreinforcement on mechanical properties ofcross joint

图10 补强钢板厚度对十字接头力学性能的影响（a）—竖向支承板顶部焊缝处；（b）—补强钢板；（c）—补强钢板（厚度28 mm）竖向应力云图.

Fig.10 Influence of the thickness of the steel platesfor reinforcement on mechanical propertiesof cross joint

表1 补强后十字接头关键截面轴力

Table 1 Axial force of critical sections of reinforced cross joint

$h r$ /mm	截面①		截面②		截面③
$h r$ /mm	$F r ?$ /kN	$F s ?$ /kN	$F r ?$ /kN	$F s ?$ /kN	$F s ?$ /kN
200	551	187	364	280	576
300	614	137	328	276	540
400	666	101	292	277	510
500	705	75	257	282	486
600	733	58	224	290	466
700	753	47	194	298	450

表1 补强后十字接头关键截面轴力

Table 1 Axial force of critical sections of reinforced cross joint

$h r$ /mm	截面①		截面②		截面③
$h r$ /mm	$F r ?$ /kN	$F s ?$ /kN	$F r ?$ /kN	$F s ?$ /kN	$F s ?$ /kN
200	551	187	364	280	576
300	614	137	328	276	540
400	666	101	292	277	510
500	705	75	257	282	486
600	733	58	224	290	466
700	753	47	194	298	450

表2 补强后十字接头关键截面弯矩

Table 2 Bending moment of critical sections of reinforced cross joint

$h r$ /mm	截面①		截面②		截面③
$h r$ /mm	$M r ?$ /(kN·m)	$M s ?$ /(kN·m)	$M r ?$ /(kN·m)	$M s ?$ /(kN·m)	$M s ?$ /(kN·m)
200	8.5	42.2	2.6	47.4	118.6
300	9.0	51.1	2.5	44.5	106.0
400	9.5	58.6	2.1	40.0	93.6
500	10.0	64.0	1.4	35.0	80.9
600	10.4	67.8	0.7	30.0	69.0
700	11.0	70.4	0.1	25.0	58.0

表2 补强后十字接头关键截面弯矩

Table 2 Bending moment of critical sections of reinforced cross joint

$h r$ /mm	截面①		截面②		截面③
$h r$ /mm	$M r ?$ /(kN·m)	$M s ?$ /(kN·m)	$M r ?$ /(kN·m)	$M s ?$ /(kN·m)	$M s ?$ /(kN·m)
200	8.5	42.2	2.6	47.4	118.6
300	9.0	51.1	2.5	44.5	106.0
400	9.5	58.6	2.1	40.0	93.6
500	10.0	64.0	1.4	35.0	80.9
600	10.4	67.8	0.7	30.0	69.0
700	11.0	70.4	0.1	25.0	58.0

表3 补强钢板合理尺寸及补强效率 (of steel plates for reinforcement)

Table 3 Reasonable size and reinforcement efficiency

$δ m$ /mm	$h r$ /mm	$d r$ /mm	$σ p$ /MPa	$σ r$ /MPa	$σ s$ /MPa	$η$ /%
0	—	—	106	—	—	—
10	400	20	128	112	75	13
20	500	20	156	120	100	23
30	600	28	187	132	105	29
40	700	28	214	131	130	39
50	800	36	239	134	130	44
60	800	40	260	144	150	45
80	900	44	296	148	177	50
100（2.5 d）	1000	48	321	150	218	53

表3 补强钢板合理尺寸及补强效率 (of steel plates for reinforcement)

Table 3 Reasonable size and reinforcement efficiency

$δ m$ /mm	$h r$ /mm	$d r$ /mm	$σ p$ /MPa	$σ r$ /MPa	$σ s$ /MPa	$η$ /%
0	—	—	106	—	—	—
10	400	20	128	112	75	13
20	500	20	156	120	100	23
30	600	28	187	132	105	29
40	700	28	214	131	130	39
50	800	36	239	134	130	44
60	800	40	260	144	150	45
80	900	44	296	148	177	50
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