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

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(guó)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(wèn)題突出，但目前國(guó)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(guó)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(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)。1.1簡(jiǎn)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)度，可取左右節(jié)間長(zhǎng)度之和的一半；C為桿端約束參數(shù)，一般取0.7。1鋼管浙混凝逼土結(jié)梅構(gòu)焊贏接連窄接的脅典型蟲疲勞兼細(xì)節(jié)筍分類其中場(chǎng)：⑵K型管木節(jié)點(diǎn)勁的應(yīng)唐力集擔(dān)中系騙數(shù)γsc弦桿完：腹桿肺：⑶KT型管睬節(jié)點(diǎn)擺的應(yīng)竭力集鄭中系曉數(shù)γsc弦桿浪、腹撐桿的航應(yīng)力金集中戶系數(shù)根分別邀按以初上兩刮公式賴計(jì)算封。斜腹謙桿A和C使用中間肅直腹差桿B使用1鋼管羽混凝魯土結(jié)健構(gòu)焊咳接連肚接的約典型脫疲勞海細(xì)節(jié)底分類橋梁屢鋼管懷混凝戚土結(jié)艷構(gòu)管敵管節(jié)油點(diǎn)構(gòu)隙造細(xì)瓶節(jié)類別構(gòu)件或連接形式簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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?；炷龔?fù)土結(jié)重構(gòu)焊艱接連鑼接的圖典型梯疲勞甚細(xì)節(jié)孫分類橋梁哭鋼管欄混凝壺土結(jié)請(qǐng)構(gòu)板炭管節(jié)適點(diǎn)構(gòu)靈造細(xì)路節(jié)類別構(gòu)件或連接形式簡(jiǎn)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管管華節(jié)點(diǎn)展疲勞歐美向國(guó)家抵對(duì)管超節(jié)點(diǎn)滲及其業(yè)連接陡開(kāi)展翠了大春量的宇試驗(yàn)派研究然工作飄，最子有價(jià)燭值的咽是歐陰洲國(guó)帶家在烏上世緊紀(jì)70軌~8受0年代駛耗資釘二千訊多萬(wàn)訪美元彼對(duì)30菌0只各蕉種型侮式的嚷管節(jié)鋪點(diǎn)模模型進(jìn)器行的耐試驗(yàn)陽(yáng)研究掙工作秀，挪潛威船祥級(jí)社DN經(jīng)V、英異國(guó)勞捆氏船險(xiǎn)級(jí)社LR等通撥過(guò)系摸列試武驗(yàn)給拖出了皂管節(jié)蜂點(diǎn)的間應(yīng)力客集中請(qǐng)系數(shù)帥計(jì)算幕公式么，挪嚷威船揭級(jí)社DN霞V、美宏國(guó)國(guó)勺家標(biāo)銹準(zhǔn)AW零S等還罷給出導(dǎo)管節(jié)兼點(diǎn)的瞇疲勞S-盲N曲線咐。2管管課節(jié)點(diǎn)核疲勞2.拖1疲勞寬抗力地方程根據(jù)珍疲勞S-方N曲線妙，T/厘Y型、K型、KT型管柳管節(jié)區(qū)點(diǎn)以珍及橫吼向?qū)澖雍肝隹p、鋼熔透醒焊縫縣的加亦勁肋扎焊接形等構(gòu)誰(shuí)造細(xì)捉節(jié)疲留勞抗歉力方膊程式打?yàn)椋簩⑹綒W中N=暗2×亦106代入痛，即榴可求英得[σ0]=羽90等.0甜2M步pa，引亭入上氏節(jié)公遺式的范應(yīng)力憐集中史系數(shù)γsc，可舒得出T/墊Y型、K型、KT型管細(xì)管節(jié)用點(diǎn)的耍疲勞灰設(shè)計(jì)港強(qiáng)度[σ0]/贈(zèng)γsc。2管管陡節(jié)點(diǎn)妨疲勞2.然2試驗(yàn)身驗(yàn)證鄉(xiāng)豐與分吳析西南查交通失大學(xué)紫在《鋼管可混凝扮土橋槐西部鄭課題掌疲勞域試驗(yàn)》課題棒進(jìn)行壇了3個(gè)鋼掩管混店凝土污結(jié)構(gòu)揉試件曬的疲肥勞試際驗(yàn)，錘其中Y形節(jié)挨點(diǎn)1個(gè)、K形節(jié)摔點(diǎn)2個(gè)；短重慶錄交通初大學(xué)呀在《自應(yīng)換力鋼斷管混那凝土言節(jié)點(diǎn)摩疲勞應(yīng)試驗(yàn)普研究》課題焰進(jìn)行錦了1個(gè)K形節(jié)膚點(diǎn)鋼桑管混談凝土活結(jié)構(gòu)貌試件跨的疲梅勞試抄驗(yàn)。為了翅驗(yàn)證尚公式交所示園疲勞篇抗力值方程飾式的駱合理刮性，堅(jiān)將上林述4個(gè)鋼賭管混閥凝土刺結(jié)構(gòu)美疲勞跡試件慰的試露驗(yàn)結(jié)幟果進(jìn)勾行整聞理分耐析，顏根據(jù)姐試件稅的疲讓勞壽助命，夸按照海上述盲公式大計(jì)算句出該攪試件唐的計(jì)河算疲團(tuán)勞強(qiáng)求度，垃同時(shí)弓按公制式計(jì)殊算其軋應(yīng)力揉集中駐系數(shù)γsc，最扮后得旬出試暢件的魄設(shè)計(jì)旱疲勞獲強(qiáng)度[σ0]/佩γsc，從記而得殿出下系表所理示的狠分析澇結(jié)果竊，從乘表中鵝可以割看出領(lǐng)，設(shè)年計(jì)疲飽勞強(qiáng)浪度均婦小于痛試驗(yàn)刺疲勞收強(qiáng)度猾，比學(xué)值在劑之間袍，說(shuō)告明上撥述疲私勞抗谷力方莫程式有是安稍全、仆合理握的。鋼管吐混凝湊土橋趣西部擋課題血疲勞耕試驗(yàn)償模型五（西奴南交載通大蹈學(xué)）2管管碰節(jié)點(diǎn)弱疲勞自預(yù)繭應(yīng)力優(yōu)鋼管集混凝我土節(jié)利點(diǎn)疲險(xiǎn)勞試侍驗(yàn)?zāi)ｐ埿停ㄘ懼貞c置交通猛大學(xué)材）2管管俯節(jié)點(diǎn)慰疲勞2管管遙節(jié)點(diǎn)嘆疲勞疲勞慶試件飼的計(jì)養(yǎng)算與岸實(shí)測(cè)蓮疲勞艱強(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從上嚷表所顧示的橡分析恥結(jié)果任，均襪小于爐試驗(yàn)縱疲勞釀強(qiáng)度遙，比鼻值在覆之間沃，說(shuō)可明上壞述疲駝勞抗批力方黨程式肥是安痕全、胡合理房誠(chéng)的。3板管擊節(jié)點(diǎn)起疲勞額試驗(yàn)試驗(yàn)試件社主管拐采用抓φ80緞0×輝20，管告內(nèi)填拍充C5澡5混凝返土；舒支桿農(nóng)采用31幼0×磚30廚0H型鋼焦，翼屯緣板息厚24取mm，腹受板厚12裹mm；主適管與窩支桿大交角45柳°，節(jié)被點(diǎn)板喪厚10凳mm，節(jié)滋點(diǎn)板膛一側(cè)晚與模搭擬支衰桿的頓工形突桿件歉翼板擴(kuò)用高上強(qiáng)度犬螺栓府連接屠，另謹(jǐn)一側(cè)橡與主龍管焊底接，房誠(chéng)節(jié)點(diǎn)廟板在植端部餃采用1.旦66倍的視寬度返放大面系數(shù)閃。3.染1靜載麗試驗(yàn)為了屯解試費(fèi)件受牢力時(shí)且的應(yīng)融力分另布狀脖態(tài)，裕首先斑進(jìn)行孫靜載碰試驗(yàn)套，采建用20棟00標(biāo)KN液壓作伺服己疲勞夕試驗(yàn)薄機(jī)加乖載。鈴加載硬時(shí)首書先預(yù)姐拉到10胞00樸kN，再陷回零聚，重報(bào)復(fù)三語(yǔ)次，蟻以消拉除試促驗(yàn)工贈(zèng)裝安育裝精底度的仰影響臭。然妥后每漁級(jí)荷駱載加買載20途0k未N，逐盯級(jí)加爸載至10肺00阻kN，最把后每鬧級(jí)荷鈔載卸啊載20舍0k早N，逐杜級(jí)卸鍛載至0。如蛛此重座復(fù)3次，崇試驗(yàn)已結(jié)果掛取三潮次測(cè)夠試數(shù)濱據(jù)的創(chuàng)算術(shù)繪平均阻值。3板管艘節(jié)點(diǎn)匪疲勞質(zhì)試驗(yàn)試件蹦照片垂直孫于連方接焊咸縫的谷應(yīng)力銷分量蠟分布烏情況(M臉Pa胃)3板管塵節(jié)點(diǎn)奏疲勞瀉試驗(yàn)3.悲2有限捏元分水析為進(jìn)碼一步矮掌握擇試件岔的受牙力特紐奉征，摩根據(jù)甘試件屈幾何葵尺寸規(guī)建立模有限杯元模邁型試儉件的香應(yīng)力把分布摔情況杏如下高圖所觀示。節(jié)點(diǎn)俯板側(cè)星垂直蹈于連答接焊品縫的狡應(yīng)力億分量拱肋逐壁側(cè)若垂直梨于連考接焊院縫的拋應(yīng)力此分量3板管埋節(jié)點(diǎn)權(quán)疲勞貿(mào)試驗(yàn)分別紅取靜澇載試但驗(yàn)測(cè)韻點(diǎn)的獲豎向唯應(yīng)力遞分量迅和垂漂直于迷連接債焊縫載的應(yīng)吧力分糕量與濟(jì)圖中帥測(cè)點(diǎn)喬計(jì)算掛值進(jìn)跨行對(duì)昆比，建可知鋒節(jié)點(diǎn)費(fèi)板側(cè)棗的計(jì)拍算值辛與實(shí)榜測(cè)值步具有山較好攏一致分性，開(kāi)拱肋疫壁側(cè)軍的測(cè)同點(diǎn)應(yīng)總力值棍與計(jì)追算略戲有差院異，弊但分遮布規(guī)捆律基吳本一蹲致。桐最大蟲應(yīng)力劍出現(xiàn)杠在節(jié)武點(diǎn)板張與拱忠壁連倆接焊路縫端減頭（店大交閃角處榜）以挽及連遲接焊輝縫的潑拱肋興壁側(cè)躬，這罵兩處致為疲烏勞試予驗(yàn)的滑可能千破壞窮位置消。3板管剖節(jié)點(diǎn)監(jiān)疲勞弊試驗(yàn)3.吳3疲勞權(quán)試驗(yàn)本次伏共進(jìn)嚇行了4個(gè)?？菩驮囻偧牧⑵诖衷囼?yàn)缺，分撇別按付復(fù)合印應(yīng)力檢法和豎簡(jiǎn)單冶應(yīng)立宇法進(jìn)屆行試?yán)垓?yàn)數(shù)云據(jù)的鼻處理扇分析與。前3個(gè)模抱型試艘件的驗(yàn)試驗(yàn)悲結(jié)果盒見(jiàn)下課表，G-此4試件嘆在10蟲-5皺50搖kN荷載汗下疲君勞循侄環(huán)至37平37質(zhì)68頃1次時(shí)蠢僅發(fā)恒生微懇小裂毒紋，鞠提高遺荷載乳至10額-8繼30移kN繼續(xù)發(fā)試驗(yàn)賞，又鵲循環(huán)36備05虧96（等借效10奶-5影50域kN荷載敞為52沈64犁47忙9）次辭裂紋蛛擴(kuò)展交到與己其它緞試件敢大致舌相同蛇的長(zhǎng)尋度。各試送件疲疑勞試溝驗(yàn)均像在連膝接焊心縫和斗節(jié)點(diǎn)邊板下課側(cè)端角頭發(fā)葛生破墻壞，裳破壞習(xí)方式瘋與有油限元資計(jì)算顛的結(jié)付果是膀一致壤的。4根試咱件中碑有2根是藍(lán)從中嚷部弦忽管側(cè)粒焊趾泉首先塞起裂射，2根從牲焊縫掙下端掀頭起尸裂，脹表明迫兩部膠位率針先起楚裂的耽概率真大體絡(luò)相同手。3板管收節(jié)點(diǎn)接疲勞聰試驗(yàn)疲勞也試驗(yàn)慈結(jié)果巨數(shù)據(jù)情統(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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)約；東側(cè)節(jié)點(diǎn)板母材起弧處穿透板厚裂紋。3板管技節(jié)點(diǎn)惰疲勞禍試驗(yàn)⑴復(fù)藍(lán)合應(yīng)罰力法lg掙N=眾13你.0谷86爺-3秒.4據(jù)51論lg警σ，σ0膀(塑2

106)=騾91族.6慣(M狼Pa奧)相關(guān)伸系數(shù)γ=需-0刑.9滑99，均欣方差S=蓋0.堤02欣7，取97城.7超%保證盞率，喝即減榮去兩返個(gè)標(biāo)嫁準(zhǔn)差框，得漿回歸劫曲線編下限令為：lg未N=植13染.0理32箏-3收.4帝51恒lg憑σ，σ0婚(炸2

106)=復(fù)88會(huì).4王(M屆Pa憐)（1)⑵簡(jiǎn)摘化應(yīng)婚力法lg值N=或13剪.4蜜49抽-3制.4迷51璃lg呼σ，σ0匹(女2

10嬌)殺=1男17故.8申(M慢Pa吐)相關(guān)船系數(shù)γ=綁-0塊.9件99，均念方差S=杏0.停02問(wèn)7，取97狠.7榴%保證臭率，嗚得回侮歸曲鞏線下妹限為伴：lg予N=數(shù)13泉.3只95手-3扁.4文51改lg貓σ，σ0仆(丑2

10抖)象=1糧13近.7黑(M外Pa滲)形(2揭)偏于竊安全竹考