鐘新谷,楊 勝,石衛(wèi)華

(湖南科技大學(xué),湖南湘潭 411201)

1 前言

我國是研究和應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)最多的國家,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在房屋、大型公共建筑中得到了大量應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前跨徑大于200 m的鋼管混凝土拱橋有33座。鋼管混凝土拱橋的主拱肋一般分為實體和桁式結(jié)構(gòu)。實體拱肋構(gòu)造相對簡單,主要適用120 m以下的跨徑,對于跨徑大于120 m的鋼管混凝土拱橋主拱肋一般為桁式結(jié)構(gòu),如石潭溪大橋、廣西三岸邕江大橋、髻沙大橋、湘潭四大橋、茅草街大橋等;同時鐵路橋梁中也采用鋼管混凝土桁架拱[1]。國內(nèi)外學(xué)者對空心鋼管桁架的K型及N型管節(jié)點的靜力性能、疲勞性能都進(jìn)行了深入研究,并取得了豐富的成果[2～9]。隨著鋼管混凝土桁架拱橋梁在我國數(shù)量的日益增多,目前國內(nèi)學(xué)者開始關(guān)注鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能研究[10],但系統(tǒng)的研究成果較少。特別是在疲勞壽命設(shè)計方面主要參考空心管節(jié)點的研究成果[1],但鋼管混凝土節(jié)點與空心管節(jié)點無論是靜力性能還是疲勞特性都是有區(qū)別的。筆者等進(jìn)行了1個K型空心管節(jié)點和3個K型鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能試驗,研究了K型鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能。研究結(jié)果可為相關(guān)研究和設(shè)計提供參考。

2 疲勞試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗設(shè)計了3種規(guī)格共4個試件,其中試件K1為空心鋼管焊接節(jié)點,試件 K2、K3、K4為主管澆注混凝土、支管空心的鋼管混凝土焊接節(jié)點。試驗主要研究K型空心管節(jié)點及鋼管混凝土節(jié)點在軸向荷載作用下相貫線焊縫周圍的應(yīng)力分布、熱點處應(yīng)力集中系數(shù)以及熱點位置。試件由武漢橋機(jī)廠制作,制作工藝與湘潭四大橋鋼管拱制作工藝相同,焊縫質(zhì)量符合文獻(xiàn)[11,12]的要求。試件設(shè)計參數(shù)詳見表1,制作完成后試件見圖1。

表1 K型鋼管焊接節(jié)點試件尺寸Table 1 Geometric parameters of K-joints

圖1 平面K型鋼管焊接節(jié)點試件Fig.1 Configuration of a tubular K-joints specimen

圓鋼管采用Q235B鋼;焊縫方法采用E43型焊條手工全焊透焊縫;主管內(nèi)填充C50混凝土。

2.2 試驗加載裝置

試驗采用在主管的軸向方向施加軸力,如圖2所示,K型試件的兩支管端部與型鋼梁通過鉸支座相連,模擬近似鉸接的邊界條件;型鋼梁與反力架的鋼柱用螺栓固定,形成自平衡加載系統(tǒng)。由液壓千斤頂在主管端部施加軸向荷載。

圖2 K型節(jié)點試驗加載裝置Fig.2 Test loading device of K-joints

2.3 管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)SCF(幾何熱點應(yīng)力方法)

疲勞試驗前,進(jìn)行靜載試驗,得到管節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)沿焊縫周向分布和最大應(yīng)力集中系數(shù)及位置[13]。文獻(xiàn)[13]通過試驗和數(shù)值分析,得到了4個節(jié)點基于熱點應(yīng)力法的最大應(yīng)力集中系數(shù),如表2所示?？梢钥闯?試驗結(jié)果與數(shù)值分析吻合較好。

表2 管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)Table 2 Stress concentrations factors of tubular K-joints

2.4 疲勞幅值計算

疲勞試驗采用常幅正弦波荷載,按照文獻(xiàn)[9]、表2計算各試件節(jié)點的彈性承載力和極限承載力確定疲勞試驗的常幅荷載幅值如表3所示,其中疲勞荷載均為作用于主管端部鋼板的軸向荷載。

表3 管節(jié)點疲勞荷載情況Table 3 Fatigue load list of K-joints

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 空心管節(jié)點

試件K1鋼管節(jié)點在疲勞荷載為400萬次時,主管和拉管焊縫處沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。根據(jù)表2的管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù),采用熱點應(yīng)力法計算出K1節(jié)點的疲勞應(yīng)力幅[14]。將試件節(jié)點焊縫分別看做角焊縫和對接焊縫時,按照文獻(xiàn)[9]給出的S—N曲線計算出節(jié)點的疲勞壽命次數(shù)并與試件節(jié)點的試驗疲勞荷載次數(shù)進(jìn)行比較,如表4所示。

表4 K1節(jié)點疲勞壽命評估比較Table 4 Comparison of fatigue life of specimen K1

實際鋼管節(jié)點的主管和支管之間是對接焊接,根據(jù)文獻(xiàn)[9]鋼管焊接節(jié)點應(yīng)該看做角焊縫計算。由表4可知,按角焊縫計算試件K1節(jié)點的疲勞壽命過于保守,按照對接焊縫計算試件節(jié)點疲勞壽命可能要比實際節(jié)點試件的疲勞壽命長,對于K1鋼管節(jié)點的疲勞壽命實際評估計算應(yīng)為介于角焊縫和對接焊縫之間。

3.2 鋼管混凝土節(jié)點

試件K2鋼管混凝土節(jié)點在疲勞次數(shù)為610萬次時,主管和拉管焊縫處沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。試件K3鋼管混凝土節(jié)點在疲勞次數(shù)為240萬次時,同樣沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。試件K4節(jié)點在疲勞次數(shù)為36萬次時,節(jié)點主管和拉管焊縫處開裂。裂縫沿相貫線處冠點位置開裂(起始),逐漸發(fā)展至鞍部區(qū)域。

應(yīng)用表2列出的K2、K3和K4節(jié)點焊縫處的最大應(yīng)力集中系數(shù),計算出節(jié)點的疲勞應(yīng)力幅。將試件節(jié)點焊縫分別看做角焊縫和對接焊縫,按照文獻(xiàn)[9]給出的S—N曲線計算出節(jié)點的疲勞壽命次數(shù)并與試件節(jié)點的試驗疲勞荷載次數(shù)進(jìn)行比較,如表5所示。

表5 K型鋼管混凝土節(jié)點疲勞壽命評估比較Table 5 Comparison of fatigue life of concrete filled steel tubular K-joints

比較試件K1和K2,由于鋼管混凝土節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)較小,節(jié)點的疲勞壽命要大的多。按角焊縫計算,K1節(jié)點的疲勞壽命最大只有46萬次,K2節(jié)點的疲勞壽命超過800萬次。節(jié)點在彈性工作時,鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能和疲勞壽命要優(yōu)于鋼管節(jié)點。K4節(jié)點彈性靜力試驗計算得到的疲勞壽命次數(shù)要小于實際試件節(jié)點破壞時的疲勞荷載次數(shù)?；谠囼灥臒狳c應(yīng)力法評估鋼管混凝土節(jié)點試件的疲勞壽命比較安全。

初步試驗表明采用對接焊縫計算疲勞壽命次數(shù)要大于實際試件節(jié)點破壞時的疲勞荷載次數(shù)。對于K型鋼管混凝土節(jié)點,基于試驗的熱點應(yīng)力法來評估計算節(jié)點的疲勞壽命,將節(jié)點焊縫看做是角焊縫較為適合,如將節(jié)點焊縫看做對接焊縫評估,得到的疲勞壽命不安全,高估了節(jié)點的疲勞壽命。

4 K型鋼管混凝土節(jié)點的S—N曲線建議

前述對于K型鋼管混凝土節(jié)點的疲勞壽命評估方法,一是將K型鋼管混凝土節(jié)點焊縫視為角焊縫的熱點應(yīng)力法(試驗和數(shù)值分析結(jié)果都適合);二是通過疲勞試驗方式直接得到節(jié)點的疲勞壽命。采用基于幾何熱點應(yīng)力法的管節(jié)點基本疲勞壽命設(shè)計曲線[15]和將節(jié)點焊縫視為實際對接焊縫的熱點應(yīng)力評估法,均偏高評估了節(jié)點疲勞壽命。試件K4節(jié)點的疲勞荷載次數(shù)和應(yīng)力幅作為計算K型鋼管混凝土節(jié)點的S—N曲線其中一個點,K3節(jié)點(焊縫視為角焊縫時)基于試驗的熱點應(yīng)力法評估節(jié)點的疲勞壽命所對應(yīng)的試驗應(yīng)力幅值和計算疲勞壽命次數(shù)作為另外一個點。疲勞壽命S—N曲線為:

式(1)中,N為疲勞次數(shù);m為雙對數(shù)坐標(biāo)S—N曲線斜率;Δ σ為幾何熱點應(yīng)力幅。根據(jù)試驗結(jié)果可知,K3節(jié)點試驗應(yīng)力幅值和試驗疲勞破壞時次數(shù)分別為:Δ σ=66.186 MPa,N=141.414 萬次;K4 節(jié)點試驗應(yīng)力幅值和試驗疲勞破壞時次數(shù)分別為:Δ σ=146.873 MPa,N=36.55萬次。得到基于熱點應(yīng)力法的K型鋼管混凝土節(jié)點疲勞壽命評估S—N曲線公式為:

以疲勞壽命的對數(shù)為橫坐標(biāo),幾何熱點應(yīng)力幅的對數(shù)為縱坐標(biāo),可得K型鋼管混凝土節(jié)點疲勞壽命S—N曲線如圖3所示。

圖3 基于幾何熱點應(yīng)力法的K型鋼管混凝土節(jié)點疲勞曲線Fig.3 Δ σ—N curve of concrete filled steel tubular K-joints based on the geometry hot spot stress method

5 結(jié)語

通過1個K型鋼管節(jié)點和3個K型鋼管混凝土節(jié)點的常幅疲勞試驗研究,基于試驗的熱點應(yīng)力法均能夠較好地評估節(jié)點的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度。文獻(xiàn)[9]規(guī)定的以角焊縫來評定鋼管節(jié)點疲勞壽命的計算公式過于保守,對于K型鋼管混凝土節(jié)點,熱點應(yīng)力法能夠較好地評估節(jié)點的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度,K型鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能明顯優(yōu)于K型鋼管節(jié)點。文章提出的基于幾何熱點應(yīng)力法的K型鋼管混凝土節(jié)點S—N曲線及評估公式,需進(jìn)一步進(jìn)行大量的試驗,評估其可靠性。筆者等所做的工作還是初步的,開展K型鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能及相關(guān)參數(shù)優(yōu)化對建立K型鋼管混凝土節(jié)點疲勞壽命設(shè)計準(zhǔn)則和鋼管混凝土桁架具有重要意義。

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