K型鋼管混凝土節點疲勞性能試驗研究

鐘新谷,楊 勝,石衛華

(湖南科技大學,湖南湘潭 411201)

1 前言

我國是研究和應用鋼管混凝土結構最多的國家,鋼管混凝土結構在房屋、大型公共建筑中得到了大量應用。據不完全統計,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構。實體拱肋構造相對簡單,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構,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]。國內外學者對空心鋼管桁架的K型及N型管節點的靜力性能、疲勞性能都進行了深入研究,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量的日益增多,目前國內學者開始關注鋼管混凝土節點的疲勞性能研究[10],但系統的研究成果較少。特別是在疲勞壽命設計方面主要參考空心管節點的研究成果[1],但鋼管混凝土節點與空心管節點無論是靜力性能還是疲勞特性都是有區別的。筆者等進行了1個K型空心管節點和3個K型鋼管混凝土節點的疲勞性能試驗,研究了K型鋼管混凝土節點的疲勞性能。研究結果可為相關研究和設計提供參考。

2 疲勞試驗

2.1 試驗模型設計

試驗設計了3種規格共4個試件,其中試件K1為空心鋼管焊接節點,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點。試驗主要研究K型空心管節點及鋼管混凝土節點在軸向荷載作用下相貫線焊縫周圍的應力分布、熱點處應力集中系數以及熱點位置。試件由武漢橋機廠制作,制作工藝與湘潭四大橋鋼管拱制作工藝相同,焊縫質量符合文獻[11,12]的要求。試件設計參數詳見表1,制作完成后試件見圖1。

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

圖1 平面K型鋼管焊接節點試件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。由液壓千斤頂在主管端部施加軸向荷載。

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

2.3 管節點應力集中系數SCF(幾何熱點應力方法)

疲勞試驗前,進行靜載試驗,得到管節點的應力集中系數沿焊縫周向分布和最大應力集中系數及位置[13]。文獻[13]通過試驗和數值分析,得到了4個節點基于熱點應力法的最大應力集中系數,如表2所示。可以看出,試驗結果與數值分析吻合較好。

表2 管節點應力集中系數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[9]、表2計算各試件節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 管節點疲勞荷載情況Table 3 Fatigue load list of K-joints

3 試驗結果及分析

3.1 空心管節點

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

表4 K1節點疲勞壽命評估比較Table 4 Comparison of fatigue life of specimen K1

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

3.2 鋼管混凝土節點

試件K2鋼管混凝土節點在疲勞次數為610萬次時,主管和拉管焊縫處沒有發現裂紋。試件K3鋼管混凝土節點在疲勞次數為240萬次時,同樣沒有發現裂紋。試件K4節點在疲勞次數為36萬次時,節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),逐漸發展至鞍部區域。

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

表5 K型鋼管混凝土節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,由于鋼管混凝土節點的應力集中系數較小,節點的疲勞壽命要大的多。按角焊縫計算,K1節點的疲勞壽命最大只有46萬次,K2節點的疲勞壽命超過800萬次。節點在彈性工作時,鋼管混凝土節點的疲勞性能和疲勞壽命要優于鋼管節點。K4節點彈性靜力試驗計算得到的疲勞壽命次數要小于實際試件節點破壞時的疲勞荷載次數。基于試驗的熱點應力法評估鋼管混凝土節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要大于實際試件節點破壞時的疲勞荷載次數。對于K型鋼管混凝土節點,基于試驗的熱點應力法來評估計算節點的疲勞壽命,將節點焊縫看做是角焊縫較為適合,如將節點焊縫看做對接焊縫評估,得到的疲勞壽命不安全,高估了節點的疲勞壽命。

4 K型鋼管混凝土節點的S—N曲線建議

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

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

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

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

5 結語

通過1個K型鋼管節點和3個K型鋼管混凝土節點的常幅疲勞試驗研究,基于試驗的熱點應力法均能夠較好地評估節點的疲勞壽命和疲勞強度。文獻[9]規定的以角焊縫來評定鋼管節點疲勞壽命的計算公式過于保守,對于K型鋼管混凝土節點,熱點應力法能夠較好地評估節點的疲勞壽命和疲勞強度,K型鋼管混凝土節點的疲勞性能明顯優于K型鋼管節點。文章提出的基于幾何熱點應力法的K型鋼管混凝土節點S—N曲線及評估公式,需進一步進行大量的試驗,評估其可靠性。筆者等所做的工作還是初步的,開展K型鋼管混凝土節點的疲勞性能及相關參數優化對建立K型鋼管混凝土節點疲勞壽命設計準則和鋼管混凝土桁架具有重要意義。

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