郭春華，刁 硯

(1.紹興市曹娥江袍江大橋建設工程指揮部，浙江 紹興 312000;2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

1 研究概述

管結構節(jié)點是一種非常復雜的結構，影響其疲勞強度的因素是多元化的，抗疲勞設計的措施也需從結構細節(jié)、焊接工藝以及焊后處理等多個方面進行綜合治理。設計過程中，對節(jié)點進行疲勞驗算具有相當難度。除了我國現(xiàn)行的橋梁設計規(guī)范對管結構設計尤其是疲勞驗算尚無規(guī)定外，即使采用國外規(guī)范也難有相對應于類似節(jié)點細節(jié)的S—N曲線，因此，需將管節(jié)點簡化為平面節(jié)點。同時，盡可能采用熱點應力幅進行疲勞驗算。但是如遇到一些特殊的節(jié)點，無論是采用參數(shù)方程或是進行有限元局部分析求得應力集中系數(shù)，都感到把握性不大。目前按美國鋼結構焊接規(guī)程(AWSD1.1)所提供的 S—N(ET)曲線，以腹桿名義應力進行驗算，再輔以驗證性的疲勞試驗，可能是最好的解決辦法。它既驗證了疲勞設計，又對人們關心的結構耐久疲勞壽命有一個定量而直觀的解釋。為了確保國內大量在建和已建的鋼管混凝土拱橋管節(jié)點的使用安全和可靠，明確其應力分布特征，充分了解管接頭幾何形狀、焊后熱處理等因素對其疲勞性能的影響，促進我國橋梁設計規(guī)范的發(fā)展和完善，非常有必要針對焊接鋼管混凝土管節(jié)點的焊接工藝及疲勞性能開展試驗研究。

2 國內外研究現(xiàn)狀分析與評價

2.1 空心管結構橋梁的發(fā)展

隨著結構輕型化的發(fā)展，空心管結構正日益受到國內外建筑結構行業(yè)的重視，但是橋梁結構的輕型化意味著受活載影響的疲勞問題更加突出。盡管橋梁管結構百年前即問世于英國(Forth橋)，但發(fā)展速度較慢，同時結構形式以拱式結構居多。自20世紀70年代以來，由于世界海洋工程的快速發(fā)展，空心管結構也得到了再次發(fā)展的機會。冶金、焊接以及計算機技術的進步，備受人們關注的管結構相貫焊接節(jié)點應力分布、承載力及疲勞問題的研究有了很大的進展，也為空心管橋梁結構的發(fā)展創(chuàng)造了條件。

20世紀70年代日本曾建成跨度為173 m的管結構懸索橋(金比羅橋，采用 STK41φ406×11，φ140×6.5，φ165×6無縫鋼管，為全焊結構)。后來日本北海道分團又建造了瀧下(Takashita)橋，該橋為 SMA490全焊正方形管(750 mm和350 mm正方形管)桁架橋。此外，美國及歐洲一些國家雖然也先后建造了一些空心管橋梁，但其結構依然有著進一步發(fā)展的空間。

進入20世紀90年代，大跨度懸索橋在我國有了長足的發(fā)展。1998年開工修建的重慶忠縣長江公路大橋采用單跨560 m的大跨徑懸索橋跨越長江，這是我國首座采用空間三角形焊接鋼管桁架為加勁梁的懸索橋。該橋空間焊接鋼管桁架高3.3 m，上下弦桿分別由5根和4根材質為Q345C的φ325×12無縫鋼管組成，腹桿采用 φ152×11無縫管，橫斷面呈倒梯形狀。腹桿與弦桿節(jié)點處采用相貫焊接，最多有6根腹桿交匯。橫梁為焊接工字梁，開孔穿過并焊連于上弦節(jié)點。三角形桁架節(jié)間長4 m，吊桿按間距8 m設置。加勁梁分35個節(jié)段在工廠加工，標準節(jié)段長14.20 m，重約400 kN。工地節(jié)段連接采用10.9級摩擦型高強度螺栓。

2.2 國外管節(jié)點的疲勞研究狀況

就空心管結構而言，節(jié)點腹桿采用相貫焊接時，受弦桿變形影響，相貫線上的應力不再是均勻分布，應力集中問題十分突出，焊接殘余應力和焊接缺陷更使相貫線連接雪上加霜，疲勞強度常會成為設計的控制因素。近幾十年來國際焊接學會(IIW)，美國焊接學會(AWS)，歐洲鋼結構協(xié)會(ECCS)等紛紛對管結構及其連接進行了大量的試驗研究工作，形成了一系列配套完整的規(guī)范。日本建筑學會、土木學會、道路協(xié)會和運輸省鐵路局所編制的“鋼管構造設計施工指針”、“鋼構造物設計指針”、“道路橋示方書”及“鐵道構造物等設計標準”，均對管結構及其疲勞驗算有明確的規(guī)定。

對空心管結構疲勞試驗研究來說，最值得一提的是1975年—1980年歐洲經濟共同體及挪威等六國進行了的海洋焊接鋼結構在疲勞荷載作用下工作性能的研究計劃。這一計劃由英、法、西德、荷、意以及挪威承擔，計劃的基本目的是了解焊接管接頭的疲勞性能(不包括外荷載的研究)，研究了管接頭幾何形狀，焊后熱處理，接頭加強等因素對疲勞強度的影響，做了近300只各種尺度的鋼管接頭模型試驗。在管接頭應力分析方面，采用了有限元法、光彈性和塑料模型法以及實際尺寸鋼模應變測量法來研究接頭應力分布情況。

2.3 我國管節(jié)點的疲勞研究狀況

近些年來，由于海上石油開采事業(yè)快速發(fā)展的迫切需求，我國的上海交通大學、天津大學、海洋石油勘探開發(fā)設計研究院、船舶及海洋工程設計研究院和中國船舶科學研究中心等科研院所紛紛對海洋平臺管結構的疲勞問題進行了研究，并做了不少有益工作。進行了簡單及加強T型接頭的應力分析，研究了國外有關大量資料，編寫了關于接頭強度及疲勞性能的綜合資料，對用國產Z向鋼制造的鋼管節(jié)點進行了疲勞試驗研究。目前針對海洋平臺，中國船級社于1992年頒布了“海上固定平臺入級與建造規(guī)范”，并要求對管結構節(jié)點的疲勞設計應按照熱點應力進行驗算。所有這些工作均對我國橋梁管結構的設計具有極大的參考價值。

目前，國內的橋梁設計規(guī)范對管結構設計尤其是疲勞驗算尚無規(guī)定。在橋梁焊接鋼管節(jié)點疲勞研究方面，西南交通大學近年來先后進行了多項富有成效的研究:1998年承擔了我國首座采用空間三角形焊接鋼管桁架為加勁梁的忠縣長江公路大橋管節(jié)點的疲勞試驗研究;2000年承擔了目前我國最大跨度鐵路鋼管混凝土拱橋—北盤江鐵路大橋的焊接鋼管節(jié)點疲勞試驗研究;2002年承擔了跨度居世界同類橋型之首的巫山長江大橋鋼管節(jié)點疲勞試驗研究，2003年承擔了交通部西部交通建設科技項目“鋼管混凝土拱橋設計、施工及養(yǎng)護關鍵技術研究”的子課題“焊接鋼管節(jié)點的力學行為及其疲勞壽命研究”。

2.3.1 重慶忠縣長江公路大橋疲勞試驗

重慶忠縣長江公路大橋焊接鋼管桁架疲勞試驗模型設計為倒三角形空間管桁架，其桿件斷面及軸線交角，節(jié)點內的構造按足尺模擬，桁高、節(jié)間長度、桁寬按1∶2縮尺模擬。模型梁按簡支設計。該橋設計時疲勞加載參照美國AASHTO規(guī)范，疲勞細節(jié)分類參照美國鋼結構焊接規(guī)范(ANSI/AWS D1.1-94)及歐洲鋼結構協(xié)會(ECCS)鋼結構疲勞設計規(guī)范進行。經驗算，疲勞以主腹管相貫連結焊縫處應力幅控制設計。該結構疲勞加載可按弦、腹管設計名義軸向應力幅的1.1倍考慮，見表1。

表1 忠縣長江公路大橋疲勞試件加載 MPa

疲勞試驗采用JN-500型疲勞試驗機加載，加載點位于試驗梁跨中，下限載荷 Pmin=(20～30)kN，上限載荷 Pmax=(400～410)kN，荷載幅 ΔP=380 kN，試驗機加載頻率 f=(4.0 ～4.5)Hz。

第一榀試驗梁加載約160萬次在上弦主腹管相貫線趾部的焊趾處主管熱影響區(qū)開裂后，沿相貫線方向對稱逐步擴展到鞍部，再發(fā)展到主管，整個裂紋方向與主管正應力方向成正交，加載至200萬次，裂紋最大開展長度約300 mm。上弦節(jié)點共計3處裂紋，均為拉桿，下弦節(jié)點未發(fā)現(xiàn)裂紋。另在上弦端節(jié)點橫梁腹板加勁肋處有裂紋發(fā)生。

第二榀試驗梁基本情況與第一榀相似，加載至150萬次在同樣位置處開裂，加載到180萬次時最大裂紋開展寬度約為10 mm，試驗終止?？傆嬮_裂4處，3根為拉桿，1根為壓桿。

試驗結果表明，主腹管相貫焊接處疲勞裂紋均在主管熱影響區(qū)，兩榀試驗梁疲勞開裂數(shù)占上弦節(jié)點總數(shù)的35%，占下弦節(jié)點總數(shù)的37.5%。

2.3.2 北盤江鐵路大橋疲勞試驗

北盤江鐵路大橋主跨采用236 m上承式鋼管混凝土桁架拱。其節(jié)點疲勞設計參考美國AWS規(guī)范及歐洲ECCS-TC6進行。該橋節(jié)點的構造類型多，較典型的有鋼管混凝土與鋼管、鋼管與鋼管及鋼管混凝土與型鋼三種類型。為驗證設計，進行了少量節(jié)點疲勞試驗，試件設計基本上反映了上述的三種連接類型。

按照幾何相似的要求，同時又滿足相連構件之間直徑比及壁厚比不變的條件，整體模型比例尺約為1∶2，構架分A、B兩類，分別模擬管節(jié)點及管—桿節(jié)點，同時對主體桿件填充混凝土，實現(xiàn)了鋼管混凝土—鋼管、鋼管混凝土—型鋼及空管—空管的三種連接形式。構架采用平面結構，所有連接構造及工藝要求均同于實橋，控制應力幅發(fā)生在斜桿上。

按ANSI/AWS D1.1-98:完全熔透焊縫的 T，Y或 K形節(jié)點，主管在每一交接點符合沖剪要求，應力類型為DT級，200萬次的允許應力幅為40 MPa;部分熔透焊縫的T，Y或K形節(jié)點，主管抗剪、沖剪不能承受全部荷載，應力類型為 ET級，200萬次的允許應力幅為20 MPa。

該橋鋼管相貫節(jié)點的焊接坡口完全是按ANSI/AWS D1.1-98中“管材 T，Y和 K形節(jié)點的完全熔透(CIJ)焊縫的免除評定細節(jié)—有限厚度的標準平直狀平面形狀”對施工單位進行要求的，對應到上面的DT級?？紤]到相貫焊縫大多為工地焊接，且焊接工藝與美國有一定差距。設計按部分熔透焊縫的T，Y或K形節(jié)點，應力類型為ET級進行檢算。橫聯(lián)直管最大疲勞應力幅為9.14 MPa，橫聯(lián)直管最大疲勞應力幅為8.94 MPa，滿足 ANSI/AWS D1.1-98 要求，且有 54%的富裕量，不控制設計。

2.3.3 巫山長江大橋疲勞試驗(見圖1)

巫山長江大橋模型為DY型的三角形平面管桁架，主要針對主管不填充混凝土和填充混凝土來區(qū)分為空心管節(jié)點模型和鋼管混凝土節(jié)點模型，荷載是通過肋板傳遞的，且肋板與水平支管和斜支管焊接相連，實現(xiàn)了鋼管混凝土—鋼管、空管—空管及空管—肋板三種連接形式的模擬。

圖1 巫山長江大橋試驗模型(單位:mm)

疲勞試驗結果發(fā)現(xiàn):三組鋼管混凝土節(jié)點試件中，一組試件(編號為 WCFJ1)在應力幅Δσ=30 MPa，加載次數(shù)達到300萬次時沒有破壞;另兩組試件(編號為WCFJ2和 WCFJ3)在應力幅 Δσ=45 MPa，加載次數(shù)＜200萬次前發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋均發(fā)生在肋板與支管相連處。后兩組試件實際上研究了空管—肋板連接形式在應力幅Δσ=45 MPa的疲勞壽命。

2.3.4 交通部西部課題疲勞試驗(見圖2)

西部課題疲勞試驗研究，是對鋼管混凝土節(jié)點的疲勞行為進行了進一步深入研究。模型形式仍采用DY型的三角形平面管桁架，為了區(qū)分開管—管節(jié)點疲勞破壞和管—板節(jié)點疲勞破壞，西部課題特設計了兩種模型:管—板節(jié)點模型和管—管節(jié)點模型。通過對這兩種連接形式進行試驗，探討了這幾種焊接接頭的疲勞強度及其疲勞破壞途徑和形態(tài)，并得出如下結論:①鋼管混凝土管節(jié)點的疲勞承載壽命高于空心管節(jié)點和板管節(jié)點承載壽命，其中板管節(jié)點又高于空心管節(jié)點。②局部開坡口或填角焊縫的鋼管混凝土節(jié)點疲勞強度容許修正系數(shù)可取2.0。③空心管節(jié)點和鋼管混凝土管節(jié)點，疲勞破壞途徑和形態(tài)無變化，即裂紋起始于熱點(在相貫線主管側焊趾)，沿著相貫線在主管側焊趾延伸，并擴展到主管壁上，最終使結構喪失承載能力，其破壞呈現(xiàn)脆性斷裂形態(tài)。板管節(jié)點裂紋起始于管端焊趾，破壞形態(tài)也表現(xiàn)為脆性斷裂。④裂紋產生以后直到其擴展很長的范圍內，節(jié)點剛度幾乎不變，但其壽命與節(jié)點的總壽命相比相當短促。

圖2 西部課題疲勞試驗模型(單位:mm)

3 近年來的研究方向

3.1 焊接工藝研究

正確的焊接工藝和焊后處理可以減少應力集中程度，改變殘余應力分布甚至產生有利的殘余應力。因此，擬通過試驗研究和理論計算分析，確定合理的焊接工藝和焊縫形式，提出可提高疲勞強度的焊后處理方式。主要包含如下幾點:①管結構用材的韌性指標;②焊接接頭的強韌比;③焊縫金屬和母材金屬的強韌性匹配;④焊縫形式的確定;⑤殘余應力測試;⑥提高疲勞強度的有效工藝措施，如TIG熔修、砂輪打磨和錘擊法等。

3.2 鋼管相貫節(jié)點的極限承載力及疲勞性能驗證性試驗研究

鋼管空間桁架采用鋼管相貫焊接的連接方式，鋼管相貫節(jié)點的極限承載力和疲勞壽命以及鋼管相貫節(jié)點的殘余應力，國內外現(xiàn)有橋梁規(guī)范中尚無相應的設計條文。擬通過少量的驗證性疲勞試驗，重點研究鋼管相貫節(jié)點極限承載力，疲勞壽命的可靠性評估以及殘余應力對極限承載力和疲勞壽命的影響。

3.3 疲勞強度檢算及疲勞壽命評估

對管節(jié)點的疲勞強度進行檢算，并對其安全性及疲勞壽命進行評估。實施方案如下:①對疲勞模型試驗結果進行分析;②進行精細三位有限元模擬計算分析;③提出可用于實際工程的管節(jié)點疲勞強度檢算及疲勞壽命評估流程。

4 疲勞模型試驗方案的制訂原則

參照國內外對管節(jié)點疲勞試驗的研究成果，針對管結構節(jié)點的特點，考慮到疲勞加載設備的能力和模型設計的難點，采用節(jié)點構造典型化處理的方法，構造平面和空間節(jié)點模型。制訂試驗方案考慮以下原則:

1)模型采用的桿件斷面必須與實橋相同，但節(jié)點形式可有差別，相貫焊接工藝及檢驗標準同實橋，以真實反映幾何尺寸和焊接殘余應力的影響。

2)管結構T，Y和K節(jié)點中，以T型應力集中最嚴重，K型情況最好，模型設計時應考慮這一特點，此外，模型設計還應考慮平面和空間節(jié)點的對比。

3)以斜管的設計名義應力幅為控制疲勞試驗加載的標準，相貫線上熱點應力僅作比較，不作控制。

4)以AWSD1.1中S—N曲線(ET)作為對試驗結果對比判別的標準。

5)管節(jié)點的疲勞壽命判別標準及破壞準則以主管出現(xiàn)貫穿裂紋為限。

5 結論

對焊接管結構而言，節(jié)點是非常關鍵的部位，也往往是整個結構的薄弱環(huán)節(jié)。在弦桿、腹桿、橫聯(lián)和平縱聯(lián)等桿件連接的相貫線上，受弦桿變形的影響，相貫線上的應力不再是均勻分布，應力集中問題十分突出，加之焊接殘余應力和焊接缺陷等不利因素的存在，在交變荷載作用下，很容易引起疲勞裂紋的發(fā)生和擴展，并最終導致整個結構喪失承載力。因此，焊接鋼管節(jié)點的疲勞問題應引起橋梁建設者和設計者的高度重視。同時，了解針對焊接鋼管混凝土管節(jié)點的焊接工藝及已開展的疲勞性能試驗研究，促進我國橋梁設計規(guī)范的發(fā)展和完善至關重要。

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