鋼管混凝土桁架拱橋板—管焊接節(jié)點熱點應力集中系數(shù)研究

衛(wèi) 星，吳琛泰，巨云華，鄒建豪

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承壓能力強，施工方便，廣泛應用于大跨拱橋結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)修建的各式鋼管混凝土拱橋已達400余座，如四川旺蒼東河大橋、波司登長江大橋等公路橋，水柏鐵路北盤江大橋、在建的成貴高鐵西溪河大橋等鐵路橋[1]。鋼管混凝土桁架拱橋結(jié)合了鋼管混凝土與鋼管桁架的優(yōu)點，主鋼管內(nèi)填充混凝土，主鋼管之間通過H型桿件或空鋼管連接構(gòu)成桁架拱肋。鋼管混凝土桁架節(jié)點的主要構(gòu)造形式包括相貫焊接管節(jié)點和板—管焊接節(jié)點2種。相貫節(jié)點制造安裝方便，外觀協(xié)調(diào)，但節(jié)點受力復雜，疲勞等級低；板—管焊接節(jié)點應力水平較低，安全儲備大，但內(nèi)外側(cè)焊縫同時承受正應力和剪應力，焊縫附近應力集中程度高，疲勞問題突出[2-4]。疲勞破壞是焊接結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式，是影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁壽命的關(guān)鍵因素[5]。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞往往起源于應力集中區(qū)。對引起疲勞效應的應力集中現(xiàn)象進行研究是疲勞研究的重要環(huán)節(jié)，是認識節(jié)點疲勞破壞機理和改善節(jié)點疲勞性能的前提。

焊接節(jié)點常用的疲勞評估方法有名義應力法、熱點應力法、切口應力法和斷裂力學法等[6]。名義應力法依賴于節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式，分散性很大，適宜于確定結(jié)構(gòu)—構(gòu)件層面的應力分布，對于復雜構(gòu)件往往難以確定準確的S—N曲線；熱點應力法能描述節(jié)點焊縫細節(jié)部位的應力分布，適宜反映構(gòu)件—焊接細節(jié)層面的應力場特征，熱點應力可以通過試驗或有限元數(shù)值分析法方便得到；切口應力法雖然計算精度高，但實施難度大；斷裂力學法適宜于剩余疲勞壽命的評估[7]。因此，歐洲鋼橋規(guī)范(Eurocode 3)、國際焊接協(xié)會(IIW)和挪威船級社(DNV)等均推薦采用熱點應力法對焊接構(gòu)造細節(jié)部位進行疲勞評估[8-10]。熱點應力根據(jù)“熱點”附近一定區(qū)域內(nèi)參考點的結(jié)構(gòu)應力外推得到，IIW提出了適用于細網(wǎng)格有限元模型的外推參考點位置，DNV提出的方法則適用于粗網(wǎng)格有限元模型，國際管結(jié)構(gòu)發(fā)展與研究委員會(CIDECT)給出了空鋼管的外推參考點位置，對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，很多學者仍按空鋼管的外推參考點進行計算[9-11]。根據(jù)網(wǎng)格劃分尺寸，以及考慮主管、節(jié)點板采用同一種外推計算方法，板—管焊接節(jié)點有限元模型基于IIW給出的參考點位置計算焊趾熱點應力[12]。疲勞開裂主要由拉應力幅和剪應力幅引起，板—管焊接節(jié)點內(nèi)外側(cè)焊縫同時承受正應力和剪應力，且剪應力幅相對較大而不應該被忽略。本文分別計算板—管焊接節(jié)點在各種典型荷載作用下的熱點正應力、熱點剪應力集中系數(shù)，研究焊縫在拉—剪應力場聯(lián)合作用下的應力集中特性。

1 有限元模型

利用ANSYS軟件，選擇Solid45和Mass21單元建立板—管焊接節(jié)點的有限元模型，模型幾何尺寸如圖1所示。模型材料選用Q345qD鋼和C50混凝土，材料參數(shù)：鋼材彈性模量Es=210 GPa，鋼材泊松比νs=0.3，混凝土彈性模量Ec=34.5 GPa，混凝土泊松比νc=0.2[13]。鋼管與混凝土之間不產(chǎn)生相對滑移，節(jié)點板與H型腹桿之間的高強螺栓連接近似模擬為固結(jié)。模型中考慮焊縫的影響，焊縫簡化為三角形，焊腳尺寸hf=10 mm，端焊縫和內(nèi)、外側(cè)焊縫連接處光滑圓弧過渡，焊縫網(wǎng)格劃分尺寸0.06t(t為鋼管壁厚或節(jié)點板板厚)，焊縫附近熱點應力外推計算區(qū)域網(wǎng)格劃分尺寸0.1t，焊縫局部網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 板—管焊接節(jié)點構(gòu)造(單位：mm)

恒載和活載作用下，拱肋主管主要承受軸向壓應力，不同拱肋位置的腹桿受力狀況不同。模型邊界條件簡化為：主管一端固結(jié)，另一端橫向固結(jié)，軸向施加壓位移荷載Δl=l0σ0/Ec(σ0=10 MPc,l0為主管長度)；腹桿分別作用對稱軸力、非對稱軸力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩等典型荷載，加載模式如圖3所示。

圖3 加載模式

2 焊縫熱點應力集中系數(shù)

IIW提出的熱點應力計算方法包括線性外推(0.4t，1.0t)和2次外推(0.4t，0.9t，1.4t)，通常認為2次外推的精度更高，因此采用2次外推方法計算焊縫焊趾處的熱點應力。用熱點應力集中系數(shù)(熱點應力集中系數(shù)=熱點應力/名義應力)反映焊縫附近的應力集中程度。

2.1 腹桿作用軸力

腹桿1和腹桿2分別作用F1=F2=500 kN的拉力時，計算得到內(nèi)、外焊縫焊趾熱點正應力、熱點剪應力集中系數(shù)如圖4所示。腹桿1作用F1=800 kN拉力，腹桿2作用F2=300 kN壓力時，計算得到內(nèi)、外焊縫焊趾熱點正應力、熱點剪應力集中系數(shù)如圖5所示。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：對稱軸力作用下，①熱點正應力外焊縫大于內(nèi)焊縫，外焊縫節(jié)點板焊趾和鋼管焊趾應力集中系數(shù)最大值分別為2.60和1.30，內(nèi)焊縫節(jié)點板焊趾應力集中系數(shù)最大為1.35，鋼管焊趾處均為壓應力。熱點正應力在焊縫長度方向中部變化幅不明顯；由于幾何突變，在焊縫兩端約10 cm范圍內(nèi)，拉應力急劇變化為壓應力，節(jié)點板焊趾和鋼管焊趾處最大壓應力幅分別達到名義拉應力幅的13.6和3.5倍。②熱點剪應力內(nèi)焊縫大于外焊縫，沿焊縫長度方向?qū)ΨQ分布，兩端最大，中間為零；外焊縫節(jié)點板焊趾和鋼管焊趾熱點剪應力集中系數(shù)最大值分別為4.28和1.48，內(nèi)焊縫節(jié)點板焊趾熱點剪應力集中系數(shù)最大值為6.72；相比外焊縫，內(nèi)焊縫鋼管焊趾剪應力流方向正好相反，熱點剪應力集中系數(shù)最大值為2.51。③對于端焊縫，鋼管焊趾處熱點正應力集中系數(shù)為2.84，節(jié)點板焊趾處正應力均為壓應力。

圖4 對稱軸力作用下熱點應力集中系數(shù)

圖5 非對稱軸力作用下熱點應力集中系數(shù)

由圖5可以發(fā)現(xiàn)：非對稱軸力作用下，①在非對稱軸力作用下，熱點正應力集中系數(shù)明顯大于對稱軸力作用。熱點正應力外焊縫大于內(nèi)焊縫，且左右不對稱分布；外焊縫節(jié)點板焊趾和鋼管焊趾熱點正應力集中系數(shù)最大值分別為6.55和3.55，內(nèi)焊縫節(jié)點板焊趾熱點正應力集中系數(shù)最大值為2.90，鋼管焊趾處均為壓應力。最大值位于受拉側(cè)距焊縫端部約1/4焊縫長度位置處，在焊縫兩端區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)更大的壓應力，達到名義拉應力的34倍。②相比對稱軸力作用情況，剪應力流分布發(fā)生變化，熱點剪應力集中系數(shù)在受拉側(cè)變化不大，受壓側(cè)增加2倍多；外焊縫節(jié)點板焊趾和鋼管焊趾熱點剪應力集中系數(shù)最大值分別為9.42和3.30，內(nèi)焊縫節(jié)點板焊趾和鋼管焊趾熱點剪應力集中系數(shù)最大值分別為13.19和4.93，鋼管焊趾處剪應力流方向相反。③對于端焊縫，受拉側(cè)和受壓側(cè)鋼管焊趾熱點正應力集中系數(shù)分別為3.19和2.99。雖然端焊縫熱點正應力集中系數(shù)較大，但端焊縫正應力為壓應力，壓應力幅不會引起疲勞損傷。值得注意的是，如果這種鋼管混凝土桁架應用于桁架梁等主管受拉的結(jié)構(gòu)中，端焊縫的拉應力集中很大，內(nèi)外側(cè)焊縫兩端剪應力集中也很大，在拉—剪應力場聯(lián)合作用下，節(jié)點端焊縫處最可能出現(xiàn)疲勞開裂。

實際拱肋結(jié)構(gòu)腹桿一般承受非對稱軸力，非對稱軸力作用下，板—管節(jié)點同時承受正應力和剪應力作用。熱點正應力外焊縫大于內(nèi)焊縫，沿焊縫長度方向最大值出現(xiàn)在1/4焊縫長度處；熱點剪應力內(nèi)焊縫大于外焊縫，最大值位于焊縫兩端。因此，板—管焊接節(jié)點的疲勞“熱點”位于焊縫兩端和靠近兩端約1/4焊縫長度處，而非焊縫中點，在疲勞設計中建議選取焊縫端點、1/4焊縫長度點作為疲勞設計的控制點。

IIW指出，當正應力與第一主應力之間的夾角小于60°時，用第一主應力作為熱點應力，大于60°時，用正應力作為熱點應力，剪應力用名義應力法進行評定。對于復雜結(jié)構(gòu)，很難準確判斷正應力與剪應力之間的夾角，在非對稱軸力作用下，采用第一主應力作為熱點應力，內(nèi)外焊縫的熱點應力如圖6所示。

從圖6可以看出：內(nèi)焊縫鋼管焊趾處第一主應力幾乎為0，不會引起疲勞損傷；1/4焊縫長度處第一主應力最大，焊縫兩端應力水平很低，而從圖5(b)可以看出焊縫兩端熱點剪應力很大，所以對于復雜結(jié)構(gòu)，如果采用第一主應力作為熱點應力，則不能反映剪應力集中可能造成的疲勞損傷。因此，對于復雜結(jié)構(gòu)宜分別計算熱點正應力幅和熱點剪應力幅，考慮拉—剪應力場聯(lián)合作用效應。

圖6 焊縫焊趾第一主應力

2.2 腹桿作用面內(nèi)、面外彎矩

圖3中腹桿分別作用面內(nèi)彎矩M1=10 kN·m，面外彎矩M2=10 kN·m。面內(nèi)、外彎矩分別作用下，內(nèi)、外焊縫熱點正應力、熱點剪應力集中系數(shù)分布如圖7、圖8所示。

圖7 面內(nèi)彎矩作用下熱點應力集中系數(shù)

從圖7、圖8可以看出：面內(nèi)彎矩和面外彎矩作用下，熱點正應力和熱點剪應力集中系數(shù)接近，在焊縫兩端的面內(nèi)彎矩作用下，焊縫兩端壓力較大。相比對稱軸力作用，彎矩作用下熱點正應力集中系數(shù)更小，熱點剪應力集中系數(shù)變化不大；內(nèi)、外焊縫節(jié)點板焊趾熱點正應力集中系數(shù)最大值相差不大，內(nèi)焊縫鋼管焊趾仍為壓應力；剪應力分布特征與對稱軸力作用下相似。

圖8 面外彎矩作用下熱點應力集中系數(shù)

2.3 弧形節(jié)點板應力集中特性

幾何尺寸突變(臺階、缺口、裂縫等)是引起應力集中的根本原因，改變構(gòu)件連接處幾何尺寸，使結(jié)構(gòu)剛度平緩過渡，能顯著降低應力集中效應。水柏鐵路北盤江大橋的板—管焊接節(jié)點采用圖1所示直角節(jié)點板，成貴高鐵西溪河大橋采用圖9所示弧形節(jié)點板[14]。按非對稱軸力邊界加載，對比2種節(jié)點板端焊縫焊趾處的熱點應力集中情況，結(jié)果見表1。

圖9 弧形節(jié)點板(單位：mm)

從表1可以看出：在滿足構(gòu)造要求的前提下，節(jié)點板過渡圓弧半徑越小，幾何突變越緩慢，熱點正應力集中系數(shù)越小，用弧形節(jié)點板代替直角節(jié)點板，能明顯降低端焊縫應力集中程度。此外，弧形節(jié)點板構(gòu)造也能顯著降低節(jié)點板端部的壓應力集中。對于桁架拱肋，主管受壓，弧形節(jié)點板的優(yōu)勢發(fā)揮不出來，而對于主管受拉的鋼管砼桁架梁結(jié)構(gòu)，弧形節(jié)點板能顯著降低節(jié)點端焊縫的拉應力幅集中，相比直角節(jié)點板，弧形節(jié)點板有明顯的優(yōu)勢。

表1 不同圓弧半徑下端焊縫熱點正應力集中系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)熱點正應力外焊縫大于內(nèi)焊縫，外焊縫節(jié)點板焊趾大于鋼管焊趾，內(nèi)焊縫鋼管焊趾正應力為壓應力，不會引起疲勞損傷。熱點正應力集中系數(shù)最大值位置往往在1/4焊縫長度。

(2)熱點剪應力內(nèi)焊縫大于外焊縫，沿焊縫長度方向近似對稱分布，兩端最大，中間最小；剪應力最小與正應力最大不在同一位置，內(nèi)焊縫鋼管焊趾剪應力流與外焊縫焊趾剪應力流方向正好相反。在疲勞設計中建議選取焊縫端點、1/4焊縫長度點作為“熱點”。

(3)如果采用第一主應力作為熱點應力，在焊縫兩端受壓區(qū)，剪應力幅很大而第一主應力幅很小，顯然不能籠統(tǒng)的采用第一主應力作為熱點應力，宜分別計算熱點正應力幅、熱點剪應力幅進行疲勞評估。

(4)端焊縫熱點正應力集中系數(shù)較大，如果改進直角節(jié)點板而采用弧形節(jié)點板，能明顯改善端焊縫處應力集中程度，特別對于桁架梁等主管受拉的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用這種節(jié)點板構(gòu)造有明顯的優(yōu)勢。