铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计与试验研究

中铁工程设计咨询集团有限公司2013年12月铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计与试验研究前言

钢管混凝土结构在我国铁路桥梁建设中得到大量的应用，与建筑结构相比，铁路桥梁结构具有跨度大、承受列车活载的特点，且钢管混凝土结构的连接构造几何形态复杂，不同的焊接部位应力分布差异显著，导致其疲劳承载能力比普通钢结构的疲劳连接细节要低，甚至低很多，疲劳问题突出，但目前国内外有关铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计方面的研究文献较少，中铁工程设计咨询集团有限公司和中国铁道科学研究联合进行了典型焊接节点的疲劳试验研究，这些研究为系统解决钢管混凝土桥梁结构的疲劳设计打下了工程技术基础。1钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类

在铁路桥梁钢管混凝土结构设计中，主要使用由支杆直接焊在弦杆上而形成T形、Y形、K形等简单管节点。1.1简单管节点的几何描述描述管节点的几何特征参数如右图所示，包括：D、T—弦杆外直径与管壁厚；d、t—支杆外直径与管壁厚；θ—支杆与弦杆间的夹角；g—支杆间的间隙；e—支杆与弦杆轴线交汇偏心距；L—弦杆长度。1钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类

在管节点疲劳研究中，主要通过α、β、γ、τ指标分析其疲劳性能：⑴

α指标

α=L/D，反映弦杆的柔度，为弦杆长度参数。⑵

β指标

β=d/D，反映载荷传递和应力分布，为管径比。⑶

γ指标

γ=D/2T，反映主管径向刚度，为弦杆径厚比。⑷

τ指标

τ=t/T，反映支管与主管相对弯曲刚度，为壁厚比。1钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类1.2简单焊接管节点的应力描述⑴复合应力法钢管混凝土管节点相贯线处主要承受正应力和剪切应力的作用，可采用主应力或折算应力表述管节点的名义应力σm，折算应力计算公式为：

⑵简化应力法上述复合应力法虽然能够反映连接焊缝的受力特征，但它的计算相对复杂,因此可提出简化轴应力法进行名义应力计算，即直接以节点连接部位支管（杆）的正应力作为名义应力σm。⑶管节点的应力集中系数γsc1钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类

1.3典型管节点构造的应力集中系数[7]及细节分类⑴T/Y型管节点的应力集中系数γsc弦杆鞍点：弦杆冠点：

腹杆鞍点：

腹杆冠点：

其中：L为钢管节段长度，可取左右节间长度之和的一半；C为杆端约束参数，一般取0.7。1钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类

其中：⑵K型管节点的应力集中系数γsc弦杆：腹杆：

⑶KT型管节点的应力集中系数γsc弦杆、腹杆的应力集中系数分别按以上两公式计算。斜腹杆A和C使用中间直腹杆B使用1钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类桥梁钢管混凝土结构管管节点构造细节类别构件或连接形式简图加工质量及其它要求疲劳容许应力幅[σ0]及板厚修正系数γt1采用相贯线切割机开制相贯线坡口，全熔透焊缝连接，焊趾处需焊后修磨，超声波探伤等级B级，质量等级为Ⅰ级。[σ0]=90.02采用相贯线切割机开制相贯线坡口，全熔透焊缝连接，焊趾处需焊后修磨，超声波探伤等级B级，质量等级为Ⅰ级。[σ0]=90.03采用相贯线切割机开制相贯线坡口，全熔透焊缝连接，焊趾处需焊后修磨，超声波探伤等级B级，质量等级为Ⅰ级。[σ0]=90.01钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类桥梁钢管混凝土结构板管节点构造细节类别构件或连接形式简图加工质量及其它要求疲劳容许应力幅[σ0]及板厚修正系数γt1腹杆与弦管正交板管T/Y型接头采用坡口全熔透焊缝，节点板放大系数不小于1.7，两端按TB10002.2要求打磨匀顺。[σ0]=102.02腹杆与弦管斜交，θ≥30o2管管节点疲劳欧美国家对管节点及其连接开展了大量的试验研究工作，最有价值的是欧洲国家在上世纪70~80年代耗资二千多万美元对300只各种型式的管节点模型进行的试验研究工作，挪威船级社DNV、英国劳氏船级社LR等通过系列试验给出了管节点的应力集中系数计算公式，挪威船级社DNV、美国国家标准AWS等还给出管节点的疲劳S-N曲线。2管管节点疲劳

2.1疲劳抗力方程根据疲劳S-N曲线，T/Y型、K型、KT型管管节点以及横向对接焊缝、熔透焊缝的加劲肋焊接等构造细节疲劳抗力方程式为：将式中N=2×106代入，即可求得[σ0]=90.02Mpa，引入上节公式的应力集中系数γsc，可得出T/Y型、K型、KT型管管节点的疲劳设计强度[σ0]/γsc。2管管节点疲劳

2.2试验验证与分析西南交通大学在《钢管混凝土桥西部课题疲劳试验》课题进行了3个钢管混凝土结构试件的疲劳试验，其中Y形节点1个、K形节点2个；重庆交通大学在《自应力钢管混凝土节点疲劳试验研究》课题进行了1个K形节点钢管混凝土结构试件的疲劳试验。为了验证公式所示疲劳抗力方程式的合理性，将上述4个钢管混凝土结构疲劳试件的试验结果进行整理分析，根据试件的疲劳寿命，按照上述公式计算出该试件的计算疲劳强度，同时按公式计算其应力集中系数γsc，最后得出试件的设计疲劳强度[σ0]/γsc，从而得出下表所示的分析结果，从表中可以看出，设计疲劳强度均小于试验疲劳强度，比值在0.7-0.9之间，说明上述疲劳抗力方程式是安全、合理的。钢管混凝土桥西部课题疲劳试验模型（西南交通大学）2管管节点疲劳自预应力钢管混凝土节点疲劳试验模型（重庆交通大学）2管管节点疲劳2管管节点疲劳疲劳试件的计算与实测疲劳强度课题节点类型试验疲劳寿命N（104）试验疲劳强度（MPa）

计算疲劳强度[σ0]（MPa）腹杆冠点应力集中系数γsc设计疲劳强度[σ0]/γsc（MPa）设计疲劳强度/试验疲劳强度西南交通大学K26354.4482.161.92842.60.78Y10660.01111.232.6641.80.70K29354.4479.261.92841.10.75重庆交通大学K41647.270.521.68241.90.89从上表所示的分析结果，均小于试验疲劳强度，比值在0.7-0.9之间，说明上述疲劳抗力方程式是安全、合理的。3板管节点疲劳试验

试验试件主管采用φ800×20，管内填充C55混凝土；支杆采用310×300H型钢，翼缘板厚24mm，腹板厚12mm；主管与支杆交角45°，节点板厚10mm，节点板一侧与模拟支杆的工形杆件翼板用高强度螺栓连接，另一侧与主管焊接，节点板在端部采用1.66倍的宽度放大系数。3.1静载试验为了解试件受力时的应力分布状态，首先进行静载试验，采用2000KN液压伺服疲劳试验机加载。加载时首先预拉到1000kN，再回零，重复三次，以消除试验工装安装精度的影响。然后每级荷载加载200kN，逐级加载至1000kN，最后每级荷载卸载200kN，逐级卸载至0。如此重复3次，试验结果取三次测试数据的算术平均值。3板管节点疲劳试验试件照片垂直于连接焊缝的应力分量分布情况(MPa)3板管节点疲劳试验3.2有限元分析为进一步掌握试件的受力特征，根据试件几何尺寸建立有限元模型试件的应力分布情况如下图所示。节点板侧垂直于连接焊缝的应力分量拱肋壁侧垂直于连接焊缝的应力分量3板管节点疲劳试验分别取静载试验测点的竖向应力分量和垂直于连接焊缝的应力分量与图中测点计算值进行对比，可知节点板侧的计算值与实测值具有较好一致性，拱肋壁侧的测点应力值与计算略有差异，但分布规律基本一致。最大应力出现在节点板与拱壁连接焊缝端头（大交角处）以及连接焊缝的拱肋壁侧，这两处为疲劳试验的可能破坏位置。3板管节点疲劳试验3.3疲劳试验本次共进行了4个模型试件的疲劳试验，分别按复合应力法和简单应立法进行试验数据的处理分析。前3个模型试件的试验结果见下表，G-4试件在10-550kN荷载下疲劳循环至3737681次时仅发生微小裂纹，提高荷载至10-830kN继续试验，又循环360596（等效10-550kN荷载为5264479）次裂纹扩展到与其它试件大致相同的长度。各试件疲劳试验均在连接焊缝和节点板下侧端头发生破坏，破坏方式与有限元计算的结果是一致的。4根试件中有2根是从中部弦管侧焊趾首先起裂，2根从焊缝下端头起裂，表明两部位率先起裂的概率大体相同。3板管节点疲劳试验疲劳试验结果数据统计试件编号加载吨位（kN）频率（Hz）应力幅（MPa）循环次数疲劳破坏描述正-剪复合应力法简化轴应力法G-110-9303.0162.6209.1279820西侧外连接焊缝下焊趾处裂纹长约；西侧节点板母材起弧处穿透板厚裂纹。G-210-6703.0116.7150.0825486东侧外连接焊缝下焊趾处裂纹长约；东侧节点板母材起弧处穿透板厚裂纹。G-310-5803.5100.8129.51490551东侧外连接焊缝下焊趾处裂纹长约；东侧节点板母材起弧处穿透板厚裂纹。3板管节点疲劳试验⑴复合应力法lgN=13.086-3.451lgσ，σ0(2106)=91.6(MPa)相关系数γ=-0.999，均方差S=0.027，取97.7%保证率，即减去两个标准差，得回归曲线下限为：lgN=13.032-3.451lgσ，σ0(2106)=88.4(MPa)（1)⑵简化应力法lgN=13.449-3.451lgσ，σ0(210)=117.8(MPa)相关系数γ=-0.999，均方差S=0.027，取97.7%保证率，得回归曲线下限为：lgN=13.395-3.451lgσ，σ0(210)=113.7(MPa)(2)

偏于安全考虑，可将上式（1）、（2）的疲劳容许应力幅乘以0.9的折减系数用于设计，即[σ0]分别取80.0Mpa、102.0Mpa。4管节点疲劳设计根据不同连接形式选取相应的容许应力幅，对焊接及非焊接（栓接）构件及连接均需进行疲劳强度检算，比照《铁