鐵路橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司2013年12月鐵路橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究前言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國鐵路橋梁建設(shè)中得到大量的應(yīng)用，與建筑結(jié)構(gòu)相比，鐵路橋梁結(jié)構(gòu)具有跨度大、承受列車活載的特點(diǎn)，且鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造幾何形態(tài)復(fù)雜，不同的焊接部位應(yīng)力分布差異顯著，導(dǎo)致其疲勞承載能力比普通鋼結(jié)構(gòu)的疲勞連接細(xì)節(jié)要低，甚至低很多，疲勞問題突出，但目前國內(nèi)外有關(guān)鐵路橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)方面的研究文獻(xiàn)較少，中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司和中國鐵道科學(xué)研究聯(lián)合進(jìn)行了典型焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)研究，這些研究為系統(tǒng)解決鋼管混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)打下了工程技術(shù)基礎(chǔ)。1鋼管混凝土結(jié)構(gòu)焊接連接的典型疲勞細(xì)節(jié)分類

在鐵路橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要使用由支桿直接焊在弦桿上而形成T形、Y形、K形等簡單管節(jié)點(diǎn)。1.1簡單管節(jié)點(diǎn)的幾何描述描述管節(jié)點(diǎn)的幾何特征參數(shù)如右圖所示，包括：D、T—弦桿外直徑與管壁厚；d、t—支桿外直徑與管壁厚；θ—支桿與弦桿間的夾角；g—支桿間的間隙；e—支桿與弦桿軸線交匯偏心距；L—弦桿長度。1鋼管混凝土結(jié)構(gòu)焊接連接的典型疲勞細(xì)節(jié)分類

在管節(jié)點(diǎn)疲勞研究中，主要通過α、β、γ、τ指標(biāo)分析其疲勞性能：⑴

α指標(biāo)

α=L/D，反映弦桿的柔度，為弦桿長度參數(shù)。⑵

β指標(biāo)

β=d/D，反映載荷傳遞和應(yīng)力分布，為管徑比。⑶

γ指標(biāo)

γ=D/2T，反映主管徑向剛度，為弦桿徑厚比。⑷

τ指標(biāo)

τ=t/T，反映支管與主管相對(duì)彎曲剛度，為壁厚比。1鋼管混凝土結(jié)構(gòu)焊接連接的典型疲勞細(xì)節(jié)分類1.2簡單焊接管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力描述⑴復(fù)合應(yīng)力法鋼管混凝土管節(jié)點(diǎn)相貫線處主要承受正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用，可采用主應(yīng)力或折算應(yīng)力表述管節(jié)點(diǎn)的名義應(yīng)力σm，折算應(yīng)力計(jì)算公式為：

⑵簡化應(yīng)力法上述復(fù)合應(yīng)力法雖然能夠反映連接焊縫的受力特征，但它的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜,因此可提出簡化軸應(yīng)力法進(jìn)行名義應(yīng)力計(jì)算，即直接以節(jié)點(diǎn)連接部位支管（桿）的正應(yīng)力作為名義應(yīng)力σm。⑶管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)γsc1鋼管混凝土結(jié)構(gòu)焊接連接的典型疲勞細(xì)節(jié)分類

1.3典型管節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的應(yīng)力集中系數(shù)[7]及細(xì)節(jié)分類⑴T/Y型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)γsc弦桿鞍點(diǎn)：弦桿冠點(diǎn)：

腹桿鞍點(diǎn)：

腹桿冠點(diǎn)：

其中：L為鋼管節(jié)段長度，可取左右節(jié)間長度之和的一半；C為桿端約束參數(shù)，一般取0.7。1鋼管混凝土結(jié)構(gòu)焊接連接的典型疲勞細(xì)節(jié)分類

其中：⑵K型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)γsc弦桿：腹桿：

⑶KT型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)γsc弦桿、腹桿的應(yīng)力集中系數(shù)分別按以上兩公式計(jì)算。斜腹桿A和C使用中間直腹桿B使用1鋼管混凝土結(jié)構(gòu)焊接連接的典型疲勞細(xì)節(jié)分類橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)管管節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)類別構(gòu)件或連接形式簡圖加工質(zhì)量及其它要求疲勞容許應(yīng)力幅[σ0]及板厚修正系數(shù)γt1采用相貫線切割機(jī)開制相貫線坡口，全熔透焊縫連接，焊趾處需焊后修磨，超聲波探傷等級(jí)B級(jí)，質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)。[σ0]=90.02采用相貫線切割機(jī)開制相貫線坡口，全熔透焊縫連接，焊趾處需焊后修磨，超聲波探傷等級(jí)B級(jí)，質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)。[σ0]=90.03采用相貫線切割機(jī)開制相貫線坡口，全熔透焊縫連接，焊趾處需焊后修磨，超聲波探傷等級(jí)B級(jí)，質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)。[σ0]=90.01鋼管混凝土結(jié)構(gòu)焊接連接的典型疲勞細(xì)節(jié)分類橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)板管節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)類別構(gòu)件或連接形式簡圖加工質(zhì)量及其它要求疲勞容許應(yīng)力幅[σ0]及板厚修正系數(shù)γt1腹桿與弦管正交板管T/Y型接頭采用坡口全熔透焊縫，節(jié)點(diǎn)板放大系數(shù)不小于1.7，兩端按TB10002.2要求打磨勻順。[σ0]=102.02腹桿與弦管斜交，θ≥30o2管管節(jié)點(diǎn)疲勞歐美國家對(duì)管節(jié)點(diǎn)及其連接開展了大量的試驗(yàn)研究工作，最有價(jià)值的是歐洲國家在上世紀(jì)70~80年代耗資二千多萬美元對(duì)300只各種型式的管節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行的試驗(yàn)研究工作，挪威船級(jí)社DNV、英國勞氏船級(jí)社LR等通過系列試驗(yàn)給出了管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算公式，挪威船級(jí)社DNV、美國國家標(biāo)準(zhǔn)AWS等還給出管節(jié)點(diǎn)的疲勞S-N曲線。2管管節(jié)點(diǎn)疲勞

2.1疲勞抗力方程根據(jù)疲勞S-N曲線，T/Y型、K型、KT型管管節(jié)點(diǎn)以及橫向?qū)雍缚p、熔透焊縫的加勁肋焊接等構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞抗力方程式為：將式中N=2×106代入，即可求得[σ0]=90.02Mpa，引入上節(jié)公式的應(yīng)力集中系數(shù)γsc，可得出T/Y型、K型、KT型管管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)強(qiáng)度[σ0]/γsc。2管管節(jié)點(diǎn)疲勞

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證與分析西南交通大學(xué)在《鋼管混凝土橋西部課題疲勞試驗(yàn)》課題進(jìn)行了3個(gè)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)試件的疲勞試驗(yàn)，其中Y形節(jié)點(diǎn)1個(gè)、K形節(jié)點(diǎn)2個(gè)；重慶交通大學(xué)在《自應(yīng)力鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)研究》課題進(jìn)行了1個(gè)K形節(jié)點(diǎn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)試件的疲勞試驗(yàn)。為了驗(yàn)證公式所示疲勞抗力方程式的合理性，將上述4個(gè)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)疲勞試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，根據(jù)試件的疲勞壽命，按照上述公式計(jì)算出該試件的計(jì)算疲勞強(qiáng)度，同時(shí)按公式計(jì)算其應(yīng)力集中系數(shù)γsc，最后得出試件的設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度[σ0]/γsc，從而得出下表所示的分析結(jié)果，從表中可以看出，設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度均小于試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度，比值在0.7-0.9之間，說明上述疲勞抗力方程式是安全、合理的。鋼管混凝土橋西部課題疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄎ髂辖煌ù髮W(xué)）2管管節(jié)點(diǎn)疲勞自預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄖ貞c交通大學(xué)）2管管節(jié)點(diǎn)疲勞2管管節(jié)點(diǎn)疲勞疲勞試件的計(jì)算與實(shí)測疲勞強(qiáng)度課題節(jié)點(diǎn)類型試驗(yàn)疲勞壽命N（104）試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度（MPa）

計(jì)算疲勞強(qiáng)度[σ0]（MPa）腹桿冠點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)γsc設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度[σ0]/γsc（MPa）設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度/試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度西南交通大學(xué)K26354.4482.161.92842.60.78Y10660.01111.232.6641.80.70K29354.4479.261.92841.10.75重慶交通大學(xué)K41647.270.521.68241.90.89從上表所示的分析結(jié)果，均小于試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度，比值在0.7-0.9之間，說明上述疲勞抗力方程式是安全、合理的。3板管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)試件主管采用φ800×20，管內(nèi)填充C55混凝土；支桿采用310×300H型鋼，翼緣板厚24mm，腹板厚12mm；主管與支桿交角45°，節(jié)點(diǎn)板厚10mm，節(jié)點(diǎn)板一側(cè)與模擬支桿的工形桿件翼板用高強(qiáng)度螺栓連接，另一側(cè)與主管焊接，節(jié)點(diǎn)板在端部采用1.66倍的寬度放大系數(shù)。3.1靜載試驗(yàn)為了解試件受力時(shí)的應(yīng)力分布狀態(tài)，首先進(jìn)行靜載試驗(yàn)，采用2000KN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)加載。加載時(shí)首先預(yù)拉到1000kN，再回零，重復(fù)三次，以消除試驗(yàn)工裝安裝精度的影響。然后每級(jí)荷載加載200kN，逐級(jí)加載至1000kN，最后每級(jí)荷載卸載200kN，逐級(jí)卸載至0。如此重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取三次測試數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。3板管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)試件照片垂直于連接焊縫的應(yīng)力分量分布情況(MPa)3板管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)3.2有限元分析為進(jìn)一步掌握試件的受力特征，根據(jù)試件幾何尺寸建立有限元模型試件的應(yīng)力分布情況如下圖所示。節(jié)點(diǎn)板側(cè)垂直于連接焊縫的應(yīng)力分量拱肋壁側(cè)垂直于連接焊縫的應(yīng)力分量3板管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)分別取靜載試驗(yàn)測點(diǎn)的豎向應(yīng)力分量和垂直于連接焊縫的應(yīng)力分量與圖中測點(diǎn)計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，可知節(jié)點(diǎn)板側(cè)的計(jì)算值與實(shí)測值具有較好一致性，拱肋壁側(cè)的測點(diǎn)應(yīng)力值與計(jì)算略有差異，但分布規(guī)律基本一致。最大應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)板與拱壁連接焊縫端頭（大交角處）以及連接焊縫的拱肋壁側(cè)，這兩處為疲勞試驗(yàn)的可能破壞位置。3板管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)3.3疲勞試驗(yàn)本次共進(jìn)行了4個(gè)模型試件的疲勞試驗(yàn)，分別按復(fù)合應(yīng)力法和簡單應(yīng)立法進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析。前3個(gè)模型試件的試驗(yàn)結(jié)果見下表，G-4試件在10-550kN荷載下疲勞循環(huán)至3737681次時(shí)僅發(fā)生微小裂紋，提高荷載至10-830kN繼續(xù)試驗(yàn)，又循環(huán)360596（等效10-550kN荷載為5264479）次裂紋擴(kuò)展到與其它試件大致相同的長度。各試件疲勞試驗(yàn)均在連接焊縫和節(jié)點(diǎn)板下側(cè)端頭發(fā)生破壞，破壞方式與有限元計(jì)算的結(jié)果是一致的。4根試件中有2根是從中部弦管側(cè)焊趾首先起裂，2根從焊縫下端頭起裂，表明兩部位率先起裂的概率大體相同。3板管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)試件編號(hào)加載噸位（kN）頻率（Hz）應(yīng)力幅（MPa）循環(huán)次數(shù)疲勞破壞描述正-剪復(fù)合應(yīng)力法簡化軸應(yīng)力法G-110-9303.0162.6209.1279820西側(cè)外連接焊縫下焊趾處裂紋長約；西側(cè)節(jié)點(diǎn)板母材起弧處穿透板厚裂紋。G-210-6703.0116.7150.0825486東側(cè)外連接焊縫下焊趾處裂紋長約；東側(cè)節(jié)點(diǎn)板母材起弧處穿透板厚裂紋。G-310-5803.5100.8129.51490551東側(cè)外連接焊縫下焊趾處裂紋長約；東側(cè)節(jié)點(diǎn)板母材起弧處穿透板厚裂紋。3板管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)⑴復(fù)合應(yīng)力法lgN=13.086-3.451lgσ，σ0(2106)=91.6(MPa)相關(guān)系數(shù)γ=-0.999，均方差S=0.027，取97.7%保證率，即減去兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，得回歸曲線下限為：lgN=13.032-3.451lgσ，σ0(2106)=88.4(MPa)（1)⑵簡化應(yīng)力法lgN=13.449-3.451lgσ，σ0(210)=117.8(MPa)相關(guān)系數(shù)γ=-0.999，均方差S=0.027，取97.7%保證率，得回歸曲線下限為：lgN=13.395-3.451lgσ，σ0(210)=113.7(MPa)(2)

偏于安全考慮，可將上式（1）、（2）的疲勞容許應(yīng)力幅乘以0.9的折減系數(shù)用于設(shè)計(jì)，即[σ0]分別取80.0Mpa、102.0Mpa。4管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)根據(jù)不同連接形式選取相應(yīng)的容許應(yīng)力幅，對(duì)焊接及非焊接（栓接）構(gòu)件及連接均需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度檢算，比照《鐵