钢桁梁桥节点板高强螺栓失效规律及部分螺栓失效对受力影响分析 摘要：文章通过调研国内某单跨钢桁梁悬索桥螺栓的失效情况，总结得出钢桁梁桥每个节点板通常失效1个螺栓，并且以靠近大节点端为主的规律，采用ANSYS软件对节点板进行有限元分析，所得螺栓失效规律和调研结果基本一致，并且通过数值模拟得出节点板某个螺栓失效仅对其临近螺栓受力产生轻微影响，对另一侧芯板的螺栓最大应力基本无影响的结论。关键词：钢桁梁桥；高强螺栓；失效规律；有限元法0 引言节点板是钢桁梁桥中受力关键部分，其受力性能直接影响结构的安全性，节点板的连接形式主要为摩擦型高强螺栓连接1，部分高强螺栓破坏或缺失将给节点板及整体结构带来很大的安全隐患，国内不少学者已对摩擦型高强螺栓受力及破坏规律开展研究，朱素华2认为高强螺栓断裂的主要因素有气候湿度的不利影响、原材质量的缺陷、施工误差及结构不利应力等；郭程3利用有限元软件对摩擦型高强螺栓群的连接进行模拟，揭示了螺栓群传力不均，呈现两端高中间低的规律；王会利4等人通过建立高强螺栓腐蚀断裂裂纹估算模型和疲劳寿命估算模型，分析得出高强螺栓腐蚀疲劳寿命随材料强度、使用应力和应力幅的增大而减小。但对节点板高强螺栓失效规律和及部分螺栓失效后对其他螺栓受力影响的研究较少，本文通过调研国内某单跨钢桁梁悬索桥高强螺栓失效情况，建立节点板模型，研究节点板高强螺栓失效规律及部分螺栓失效后对其他螺栓受力的影响。所调研的桥梁为2012年通车的单跨钢桁梁悬索桥，此桥为双层公路、观光通道两用桥梁，主跨1176m，使用了85万套高强螺栓，据统计2018年高强螺栓断裂200多套，该桥主跨下方为盘山公路，桥面距公路高差355m，断裂的螺栓将给盘山公路的运营带来极大的安全隐患。图2为该桥12个节点板螺栓失效图示，可以发现，每个节点板主要失效1个螺栓，并且以靠近大节点端为主。图1 调研桥梁节点板失效照片图2 调研桥梁节点板失效统计图示1 有限元分析模型本文采用ANSYS 19.0软件，建立节点板简化模型并进行有限元分析，连接板及芯板采用Q235钢板，上下连接板尺寸为540mm260mm16mm，芯板尺寸为750mm260mm20mm，板面摩擦系数为0.404；采用10.9S级M22高强螺栓，栓孔直径为23mm。利用SolidWorks建立装配体模型，导入有限元软件ANSYS Workbench中进行计算，网格划分模型如图3所示。有限元模型中的接触关系均通过设置“接触对”来实现。采用一端固定，一端施加拉力的方式加载，荷载为80KN，螺栓预拉力为50KN。图3 节点板限元网格图2 计算结果分析为便于分析螺栓受力情况，对节点板螺栓进行编号，如图4所示，其中1#螺栓靠近固定约束，即实际的大节点端；提取单个螺栓受力云图，如图5所示；将各个螺栓的最大等效应力统计于表1。图4 螺栓编号图图5 单个螺栓受力云图表1 节点板完好状态下各螺栓最大等效应力（MPa）完好状态下各螺栓最大等效应力螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力1220.44209.57212.62211.15209.78212.73211.86207.19212.4螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力10207.913207.816213.011207.814206.617212.212207.915206.918220.5由表1可知，节点板短边方向最外侧两排螺栓最大等效应力大于其他排螺栓，各排螺栓最大等效应力接近马鞍形分布；19#螺栓最大等效应力之和为1907.3MPa，1018#螺栓最大等效应力之和为1890.6MPa，说明近大节点端螺栓失效的可能性相对较大。根据上述调研分析可知，每个节点板主要失效1个螺栓，并且以靠近大节点端为主。模型假设1#螺栓失效，其他条件不变，计算得出节点板1#螺栓失效后其他螺栓的最大等效应力，统计于表2。表2 节点板1#螺栓失效状态下各螺栓最大等效应力（MPa）1#螺栓失效状态下各螺栓最大等效应力螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力1/4209.47212.72211.15209.88212.83211.96207.39212.4螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力螺栓号最大等效应力10207.913207.816213.011207.814206.617212.212207.915206.918220.5对比表1及表2可知，1#螺栓的失效对1018#的受力基本无影响，3#、5#、7#螺栓最大等效应力小幅度增大，即节点板某个螺栓失效仅对其临近螺栓受力产生轻微影响，对另一侧芯板的螺栓最大应力基本无影响。3 结论（1）钢桁梁桥每个节点板通常失效1个螺栓，并且以靠近大节点端为主，数值模拟所得螺栓失效规律和调研结果基本一致。（2）节点板某个螺栓失效仅对其临近螺栓受力产生轻微影响，对另一侧芯板的螺栓最大应力基本无影响。（3）在施工及检测维护中应对节点板靠近大节点端高强螺栓重点关注，对失效的螺栓及时修复，保证节点板及桥梁结构的安全性。参考文献：1. 王慧佳, 钢桁梁桥高强螺栓连接的传力性能研究, 2014, 石家庄铁道大学. 第 87页.2. 朱素华, 高速铁路特大桥钢桁梁高强度螺栓断裂分析及养修建议. 上海铁道科技, 2016(4): 第79-80,89页.3. 郭程, 钢桥面螺栓连接区域受弯性能研究, 2017, 湖南大学.4. 王会利, 夏剑光与秦泗凤, 高强螺栓腐蚀疲劳寿命估算模型及应用. 大连海事大学学报, 2014. 40(03): 第113-115+120页.-全文完-