鋼管混凝土橋節點應力分析方法研究

(西南石油大學 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構優勢，能夠很好的克服拱橋跨度與施工難度兩大難點，到目前為止這種結構形式是大跨度拱橋之中應用最為廣泛的一種[1]。而管節點是一種不可避免的出現在大跨度拱橋這種結構形式之中，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雜的，例如焊接工藝、焊接后對于焊縫的處理以及結構設計的相關細節問題。由于橋梁在服役期間通常收到車輛荷載、風荷載等反復荷載的作用。但是到目前為止我國對于橋梁中節點疲勞的相關設計規范尚不完善[2]。因此對于鋼管混凝土橋節點而言，針對其進行的疲勞設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。國內外現廣泛推薦的熱點應力法估計節點的應力集中水平，也就是應力集中系數(SCF),這種計算方法是當今的對節點疲勞設計的基礎[3]。一些學者研究了關于節點疲勞的應力集中系數，并利用ABAQUS軟件建立了有限元模型分析了不同幾何參數對節點最大應力出現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、試驗和數值模擬三個方面的方法歸納總結了關于節點疲勞的研究方法。

一、國內外研究現狀與概況

(一)國內外管節點的疲勞研究狀況

在幾十年來，研究者已經做了大量的工作為了研究疲勞破壞的不同方面而發展了各種各樣的方法防止這種機械現象。空心管結構的應力集中問題相當突出，因此疲勞強度是設計者非常看重的方面也經常是作為設計的控制因素。而設計好結構節點的疲勞強度也不是一件容易之事，歐洲鋼結構協會，美國焊接學會，和國際焊接學會等紛紛對管結構進行了大量的承載力和疲勞壽命試驗研究工作，并對這種類型的節點的設計提出了眾多的建議與指導。到目前為止，在橋梁焊接鋼管節點疲勞研究方面，我國國內的一部分高校及科研機構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點和巫山長江大橋鋼管節點等相關研究[5]。國內的橋梁設計規范對管結構設計尤其是疲勞驗算尚無非常完善的設計和規定。因此深入研究鋼管混凝土節點的疲勞性能還任重而道遠[6]。

(二)近年來的研究方向

對于鋼管相貫節點的疲勞壽命國內外現有橋梁規范中尚無十分完善的設計理論。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點的應力分布及疲勞壽命和殘余應力對其的影響。部分研究結果表明對焊接管結構而言，節點是整個結構的薄弱的部位。因為管節點的應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力分布十分不均勻的，對于橋梁結構而言，在車輛及其他反復荷載的作用下，由于不均勻的焊縫分布在應以最大的位置就容易產生疲勞裂紋并擴展。這也是近些年來學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力分布和相關規范的完善的研究上面。

二、熱點應力計算方法

(一)基于名義應力的經驗公式法

名義應力的計算名義應力(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力集中，在管節點的疲勞測試和數值分析中，實際工程中的荷載是非常復雜的，因此節點處于一種十分復雜的應力應變狀態。但在數值以及試驗分析中通常也只有1種或2種載荷占主導地位，而其余荷載在數值模擬或者試驗研究中就可忽略其影響。管節點在每一種簡單荷載作用下都有一種特定的應力狀態，而這種應力狀態被稱為名義應力，于是，在上述各種簡單荷載條件下，管節點的名義應力σn可以由理論公式計算得出。

美國規范CIDECT指南中的對于此類節點的推薦計算公式：

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，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。

管節點及參數典型的幾何特征參數：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)基于試驗的應力外推插值法

在以往的研究中，管節點的應力狀態被分為了兩種類型，分別是局部應力和幾何應力，局部應力是指焊接質量和殘余應力等制造因素造成的。而幾何應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力。因此通過與焊縫周圍一段距離區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力的，在外推區域選取若干點粘貼應變片，通過這些區域的應變外推出焊縫周圍的熱點應力。Wingerde等將熱點應力表述為“由垂直于焊縫的結構應力外推插值得到的焊縫處的應力”。這個定義被國際焊接協會(IIW，1999)的設計手冊所采用[7]。焊縫處的應力會明顯大于周圍的應力，可能高達數倍。同樣焊縫處的應力與前文所述的名義應力的比值就被稱為管節點的應力集中系數，應力集中系數在數量上表征了管節點有節點的幾何參數、形狀等所造成的應力不均勻程度。

(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，并施加相應的工況與荷載進行結構分析能夠有效的從后處理模塊中得到其各種物理量，包括應力應變狀態，在一定程度上來說的數據相比較精確性和離散性提高了很多。

三、結論

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