钢管混凝土桥节点应力分析方法研究

(西南石油大学 四川 成都 610500)

引言

抵抗变形能力较强、强度大、自重较轻通常是钢管混凝土拱桥具有的结构优势，能够很好的克服拱桥跨度与施工难度两大难点，到目前为止这种结构形式是大跨度拱桥之中应用最为广泛的一种[1]。而管节点是一种不可避免的出现在大跨度拱桥这种结构形式之中，疲劳破坏也是工程中常见的破坏形式。然而影响其疲劳破坏的因素也是综合且复杂的，例如焊接工艺、焊接后对于焊缝的处理以及结构设计的相关细节问题。由于桥梁在服役期间通常收到车辆荷载、风荷载等反复荷载的作用。但是到目前为止我国对于桥梁中节点疲劳的相关设计规范尚不完善[2]。因此对于钢管混凝土桥节点而言，针对其进行的疲劳设计研究也是迫切需要的。为了保障这类桥梁的安全性与可靠性。常常要对其进行疲劳分析与验算。国内外现广泛推荐的热点应力法估计节点的应力集中水平，也就是应力集中系数(SCF),这种计算方法是当今的对节点疲劳设计的基础[3]。一些学者研究了关于节点疲劳的应力集中系数，并利用ABAQUS软件建立了有限元模型分析了不同几何参数对节点最大应力出现位置的影响进行了分析与验证[4]。本文基于前研究者分别从理论、试验和数值模拟三个方面的方法归纳总结了关于节点疲劳的研究方法。

一、国内外研究现状与概况

(一)国内外管节点的疲劳研究状况

在几十年来，研究者已经做了大量的工作为了研究疲劳破坏的不同方面而发展了各种各样的方法防止这种机械现象。空心管结构的应力集中问题相当突出，因此疲劳强度是设计者非常看重的方面也经常是作为设计的控制因素。而设计好结构节点的疲劳强度也不是一件容易之事，欧洲钢结构协会，美国焊接学会，和国际焊接学会等纷纷对管结构进行了大量的承载力和疲劳寿命试验研究工作，并对这种类型的节点的设计提出了众多的建议与指导。到目前为止，在桥梁焊接钢管节点疲劳研究方面，我国国内的一部分高校及科研机构也对上述问题进行了一系列研究，1998年-2003年我国一些高校开展了的疲劳试验研究，包括北盘江铁路大桥的焊接钢管节点和巫山长江大桥钢管节点等相关研究[5]。国内的桥梁设计规范对管结构设计尤其是疲劳验算尚无非常完善的设计和规定。因此深入研究钢管混凝土节点的疲劳性能还任重而道远[6]。

(二)近年来的研究方向

对于钢管相贯节点的疲劳寿命国内外现有桥梁规范中尚无十分完善的设计理论。只通过少量的验证性的进行了部分疲劳试验，重点研究了部分类型的节点的应力分布及疲劳寿命和残余应力对其的影响。部分研究结果表明对焊接管结构而言，节点是整个结构的薄弱的部位。因为管节点的应力集中问题非常突出，这是由于受相贯线上焊缝的影响，在沿着焊缝周围的应力分布十分不均匀的，对于桥梁结构而言，在车辆及其他反复荷载的作用下，由于不均匀的焊缝分布在应以最大的位置就容易产生疲劳裂纹并扩展。这也是近些年来学者们研究的热点问题和难点问题。近年来的一些研究主要集中在疲劳寿命以及应力分布和相关规范的完善的研究上面。

二、热点应力计算方法

(一)基于名义应力的经验公式法

名义应力的计算名义应力(σn)，是指在已知的外荷载作用下可以通过理论计算得出的计算应力，它不考虑由于几何因素或初始缺陷等因素造成的在沿着主管和支管焊缝周围的应力集中，在管节点的疲劳测试和数值分析中，实际工程中的荷载是非常复杂的，因此节点处于一种十分复杂的应力应变状态。但在数值以及试验分析中通常也只有1种或2种载荷占主导地位，而其余荷载在数值模拟或者试验研究中就可忽略其影响。管节点在每一种简单荷载作用下都有一种特定的应力状态，而这种应力状态被称为名义应力，于是，在上述各种简单荷载条件下，管节点的名义应力σn可以由理论公式计算得出。

美国规范CIDECT指南中的对于此类节点的推荐计算公式：

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

公式中的C是边界条件修正系数，如过边界条件两边均为固定，取为0.5，如果主管两端都是铰接则取1.0，一般情况下取值为0.7。

管节点及参数典型的几何特征参数：σ=2L/D,β=d/D,γ=D/2T,τ=t/T式中：L为弦管长度；D为弦管直径；T为主管壁厚。

(二)基于试验的应力外推插值法

在以往的研究中，管节点的应力状态被分为了两种类型，分别是局部应力和几何应力，局部应力是指焊接质量和残余应力等制造因素造成的。而几何应力是指的主管和支管在几何尺寸上的差异所造成的，而在试验的过程中往往无法直接得到这些应力。因此通过与焊缝周围一段距离区域的值使用线性外推或者其他外推方法而得到焊缝出的热点应力的，在外推区域选取若干点粘贴应变片，通过这些区域的应变外推出焊缝周围的热点应力。Wingerde等将热点应力表述为“由垂直于焊缝的结构应力外推插值得到的焊缝处的应力”。这个定义被国际焊接协会(IIW，1999)的设计手册所采用[7]。焊缝处的应力会明显大于周围的应力，可能高达数倍。同样焊缝处的应力与前文所述的名义应力的比值就被称为管节点的应力集中系数，应力集中系数在数量上表征了管节点有节点的几何参数、形状等所造成的应力不均匀程度。

(三)有限元模拟法

有限元法是在土木工程中进行计算机数值模拟中的高效且精确度较高的方法，通过建立有限元模型，并施加相应的工况与荷载进行结构分析能够有效的从后处理模块中得到其各种物理量，包括应力应变状态，在一定程度上来说的数据相比较精确性和离散性提高了很多。

三、结论

本文基于前人的研究结论及成果总结分析了钢管混凝土桥节点研究现状。回顾了国内外对于节点疲劳的研究现状各国对于此类节点的相关指导与设计规范，在此基础上总结了管节点应力分布及热点应力研究理论。分别从理论、试验和数值模拟三个方面的方法进行了总结归纳。在理论方面，部分研究者提出了相关的经验公式，但其使用范围和精度有待提高，此外数值模拟是工程科学研究十分重要的方法，通过数值模拟建模分析得出的结果在一定程度上精确度高于经验公式，因此建议在实际疲劳设计时采用数值模拟与试验研究相结合的方法。