鋼管混凝土橋節(jié)點應(yīng)力分析方法研究

(西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

引言

抵抗變形能力較強、強度大、自重較輕通常是鋼管混凝土拱橋具有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，能夠很好的克服拱橋跨度與施工難度兩大難點，到目前為止這種結(jié)構(gòu)形式是大跨度拱橋之中應(yīng)用最為廣泛的一種[1]。而管節(jié)點是一種不可避免的出現(xiàn)在大跨度拱橋這種結(jié)構(gòu)形式之中，疲勞破壞也是工程中常見的破壞形式。然而影響其疲勞破壞的因素也是綜合且復(fù)雜的，例如焊接工藝、焊接后對于焊縫的處理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)細節(jié)問題。由于橋梁在服役期間通常收到車輛荷載、風(fēng)荷載等反復(fù)荷載的作用。但是到目前為止我國對于橋梁中節(jié)點疲勞的相關(guān)設(shè)計規(guī)范尚不完善[2]。因此對于鋼管混凝土橋節(jié)點而言，針對其進行的疲勞設(shè)計研究也是迫切需要的。為了保障這類橋梁的安全性與可靠性。常常要對其進行疲勞分析與驗算。國內(nèi)外現(xiàn)廣泛推薦的熱點應(yīng)力法估計節(jié)點的應(yīng)力集中水平，也就是應(yīng)力集中系數(shù)(SCF),這種計算方法是當今的對節(jié)點疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)[3]。一些學(xué)者研究了關(guān)于節(jié)點疲勞的應(yīng)力集中系數(shù)，并利用ABAQUS軟件建立了有限元模型分析了不同幾何參數(shù)對節(jié)點最大應(yīng)力出現(xiàn)位置的影響進行了分析與驗證[4]。本文基于前研究者分別從理論、試驗和數(shù)值模擬三個方面的方法歸納總結(jié)了關(guān)于節(jié)點疲勞的研究方法。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與概況

(一)國內(nèi)外管節(jié)點的疲勞研究狀況

在幾十年來，研究者已經(jīng)做了大量的工作為了研究疲勞破壞的不同方面而發(fā)展了各種各樣的方法防止這種機械現(xiàn)象?？招墓芙Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問題相當突出，因此疲勞強度是設(shè)計者非常看重的方面也經(jīng)常是作為設(shè)計的控制因素。而設(shè)計好結(jié)構(gòu)節(jié)點的疲勞強度也不是一件容易之事，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，美國焊接學(xué)會，和國際焊接學(xué)會等紛紛對管結(jié)構(gòu)進行了大量的承載力和疲勞壽命試驗研究工作，并對這種類型的節(jié)點的設(shè)計提出了眾多的建議與指導(dǎo)。到目前為止，在橋梁焊接鋼管節(jié)點疲勞研究方面，我國國內(nèi)的一部分高校及科研機構(gòu)也對上述問題進行了一系列研究，1998年-2003年我國一些高校開展了的疲勞試驗研究，包括北盤江鐵路大橋的焊接鋼管節(jié)點和巫山長江大橋鋼管節(jié)點等相關(guān)研究[5]。國內(nèi)的橋梁設(shè)計規(guī)范對管結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是疲勞驗算尚無非常完善的設(shè)計和規(guī)定。因此深入研究鋼管混凝土節(jié)點的疲勞性能還任重而道遠[6]。

(二)近年來的研究方向

對于鋼管相貫節(jié)點的疲勞壽命國內(nèi)外現(xiàn)有橋梁規(guī)范中尚無十分完善的設(shè)計理論。只通過少量的驗證性的進行了部分疲勞試驗，重點研究了部分類型的節(jié)點的應(yīng)力分布及疲勞壽命和殘余應(yīng)力對其的影響。部分研究結(jié)果表明對焊接管結(jié)構(gòu)而言，節(jié)點是整個結(jié)構(gòu)的薄弱的部位。因為管節(jié)點的應(yīng)力集中問題非常突出，這是由于受相貫線上焊縫的影響，在沿著焊縫周圍的應(yīng)力分布十分不均勻的，對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，在車輛及其他反復(fù)荷載的作用下，由于不均勻的焊縫分布在應(yīng)以最大的位置就容易產(chǎn)生疲勞裂紋并擴展。這也是近些年來學(xué)者們研究的熱點問題和難點問題。近年來的一些研究主要集中在疲勞壽命以及應(yīng)力分布和相關(guān)規(guī)范的完善的研究上面。

二、熱點應(yīng)力計算方法

(一)基于名義應(yīng)力的經(jīng)驗公式法

名義應(yīng)力的計算名義應(yīng)力(σn)，是指在已知的外荷載作用下可以通過理論計算得出的計算應(yīng)力，它不考慮由于幾何因素或初始缺陷等因素造成的在沿著主管和支管焊縫周圍的應(yīng)力集中，在管節(jié)點的疲勞測試和數(shù)值分析中，實際工程中的荷載是非常復(fù)雜的，因此節(jié)點處于一種十分復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。但在數(shù)值以及試驗分析中通常也只有1種或2種載荷占主導(dǎo)地位，而其余荷載在數(shù)值模擬或者試驗研究中就可忽略其影響。管節(jié)點在每一種簡單荷載作用下都有一種特定的應(yīng)力狀態(tài)，而這種應(yīng)力狀態(tài)被稱為名義應(yīng)力，于是，在上述各種簡單荷載條件下，管節(jié)點的名義應(yīng)力σn可以由理論公式計算得出。

美國規(guī)范CIDECT指南中的對于此類節(jié)點的推薦計算公式：

SCF=γ0.2τ(2.65+5(β-0.65)2)+τβ(0.5Cα-3)sinθ

公式中的C是邊界條件修正系數(shù)，如過邊界條件兩邊均為固定，取為0.5，如果主管兩端都是鉸接則取1.0，一般情況下取值為0.7。

管節(jié)點及參數(shù)典型的幾何特征參數(shù)：σ=2L/D,β=d/D,γ=D/2T,τ=t/T式中：L為弦管長度；D為弦管直徑；T為主管壁厚。

(二)基于試驗的應(yīng)力外推插值法

在以往的研究中，管節(jié)點的應(yīng)力狀態(tài)被分為了兩種類型，分別是局部應(yīng)力和幾何應(yīng)力，局部應(yīng)力是指焊接質(zhì)量和殘余應(yīng)力等制造因素造成的。而幾何應(yīng)力是指的主管和支管在幾何尺寸上的差異所造成的，而在試驗的過程中往往無法直接得到這些應(yīng)力。因此通過與焊縫周圍一段距離區(qū)域的值使用線性外推或者其他外推方法而得到焊縫出的熱點應(yīng)力的，在外推區(qū)域選取若干點粘貼應(yīng)變片，通過這些區(qū)域的應(yīng)變外推出焊縫周圍的熱點應(yīng)力。Wingerde等將熱點應(yīng)力表述為“由垂直于焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力外推插值得到的焊縫處的應(yīng)力”。這個定義被國際焊接協(xié)會(IIW，1999)的設(shè)計手冊所采用[7]。焊縫處的應(yīng)力會明顯大于周圍的應(yīng)力，可能高達數(shù)倍。同樣焊縫處的應(yīng)力與前文所述的名義應(yīng)力的比值就被稱為管節(jié)點的應(yīng)力集中系數(shù)，應(yīng)力集中系數(shù)在數(shù)量上表征了管節(jié)點有節(jié)點的幾何參數(shù)、形狀等所造成的應(yīng)力不均勻程度。

(三)有限元模擬法

有限元法是在土木工程中進行計算機數(shù)值模擬中的高效且精確度較高的方法，通過建立有限元模型，并施加相應(yīng)的工況與荷載進行結(jié)構(gòu)分析能夠有效的從后處理模塊中得到其各種物理量，包括應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，在一定程度上來說的數(shù)據(jù)相比較精確性和離散性提高了很多。

三、結(jié)論

本文基于前人的研究結(jié)論及成果總結(jié)分析了鋼管混凝土橋節(jié)點研究現(xiàn)狀。回顧了國內(nèi)外對于節(jié)點疲勞的研究現(xiàn)狀各國對于此類節(jié)點的相關(guān)指導(dǎo)與設(shè)計規(guī)范，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了管節(jié)點應(yīng)力分布及熱點應(yīng)力研究理論。分別從理論、試驗和數(shù)值模擬三個方面的方法進行了總結(jié)歸納。在理論方面，部分研究者提出了相關(guān)的經(jīng)驗公式，但其使用范圍和精度有待提高，此外數(shù)值模擬是工程科學(xué)研究十分重要的方法，通過數(shù)值模擬建模分析得出的結(jié)果在一定程度上精確度高于經(jīng)驗公式，因此建議在實際疲勞設(shè)計時采用數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合的方法。