铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计与试验

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钢愁管霸混愤凝校土鱼结柿构谁焊痰接木连茄接台的贼典帆型本疲愁劳侮细陵节响分部类1樱.行2简蔑单帮焊土接留管晒节驼点滩的冰应缝力纺描底述⑴复拘合应脆力法钢广管载混垫凝解土慎管吊节滤点围相灿贯每线版处闪主铁要腔承遭受萌正罗应能力寸和化剪欢切轧应谣力宫的都作浴用服，树可摇采抽用炊主范应柿力耕或舟折团算面应齐力拉表尤述遵管概节仁点侄的较名虑义桌应担力σm，折岗算应踢力计奔算公访式为据：⑵况简流化茂应类力廉法上花述回复久合怕应由力拒法雪虽碎然慢能诊够耗反拆映控连言接耻焊伐缝暮的渴受卡力钻特喜征记，灯但击它稀的盲计地算亩相筝对咸复蚊杂,因此速可提婶出简怪化轴榆应力盒法进纷行名木义应俱力计级算，傲即直样接以疑节点愚连接兄部位给支管船（杆住）的丙正应盏力作抵为名剖义应艳力σm。⑶管丢节点括的应穷力集傻中系绢数γs罪c1钢盗管仁混刺凝捞土伞结使构漏焊壶接铲连条接前的耕典敢型绸疲扣劳郊细斯节急分田类1谅.泰3典饼型尘管初节球点敏构跨造标的迷应禾力叮集济中齐系兵数[脆7话]及胆细洪节醋分叫类⑴T/给Y型管药节点夺的应少力集队中系痰数γsc弦杆剃鞍点渴：弦樱杆艺冠遇点呢：腹云杆练鞍棍点凉：腹杆该冠点胀：其旷中鞋：L为寄钢睡管闭节舍段墓长平度暖，舞可跪取灿左折右姻节居间虚长兽度追之得和晃的年一对半但；C为帖杆丈端幼约雀束津参需数浪，忠一座般疮取0.蚊7。1钢状管唇混桐凝偷土脸结汽构祝焊圆接关连亭接瓜的状典衣型竭疲才劳猫细视节苍分译类其斥中繁：⑵K型管督节点勒的应坝力集猫中系额数γs耻c弦杆壮：腹锡杆暂：⑶KT型掏管贿节爹点减的峰应见力赞集皮中滋系昨数γs梁c弦遗杆陈、吓腹脚杆娘的秆应泡力浸集滴中穗系恐数肠分允别册按卵以哗上烛两浪公浇式亏计假算门。斜腹顺杆A和C使用中绢间跌直慨腹趋杆B使己用1钢烂管退混选凝还土级结缴构柴焊腐接绸连余接固的刺典骄型煤疲僚劳犁细填节梳分柳类桥梁毛钢管凳混凝屿土结棒构管眼管节驱点构竹造细百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钢管腰混凝仇土结幕构焊惊接连勒接的情典型娇疲劳孝细节锡分类桥梁植钢管牌混凝执土结置构板斑管节详点构金造细挣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管笔管庙节机点举疲揪劳欧美粥国家驴对管味节点且及其万连接茄开展恼了大岂量的辟试验芬研究向工作赢，最金有价阶值的笼是欧扛洲国致家在政上世秘纪7究0偿~袖8乓0年捐代垄耗药资燃二碎千芬多父万灭美葬元阵对30听0只各穗种型翅式的配管节暮点模想型进劣行的刺试验千研究形工作落，挪蚀威船养级社DN念V、英膝国劳慢氏船定级社LR等两通杰过闪系标列墨试面验蓬给物出历了售管路节番点屠的诞应床力殃集报中赤系梳数益计白算岛公祖式咏，窜挪克威农船宋级币社DN株V、美炮国国野家标遵准AW娘S等还艺给出煌管节刑点的阵疲劳S-钓N曲线鹊。2管吧管枝节蜓点故疲膝劳2.余1疲劳所抗力猛方程根纪据五疲舞劳S-监N曲睬线框，T/抹Y型、K型、KT型辆管倚管贞节筋点面以间及声横也向碎对凝接迫焊过缝筐、弓熔骨透识焊离缝株的诸加加劲端肋浴焊无接寄等粉构移造窄细部节嘉疲否劳夏抗盗力译方仗程及式驰为兰：将式喉中N铅=甜2柳×恼1情06代入激，即份可求兔得[竞σ0]锣=赌9容0炕.私0催2青M顽p股a，塔引生入斧上春节漠公贿式辩的酸应弱力照集裳中胜系尺数γsc，可毫得出T/薪Y型呀、K型矛、K膏T型棵管蔑管估节淡点要的涉疲挑劳去设浙计灾强做度[纠σ0]喜/捏γsc。2管蔬管筋节邪点小疲偿劳2.蓬2试蹈验携验向证垦与唱分俱析西南水交通暖大学废在《钢管亲混凝凶土桥蓄西部尸课题殊疲劳交试验》课题完进行菌了3个府钢牌管惊混搞凝定土遇结凑构食试院件拒的铃疲鸭劳备试亲验逝，闻其刺中Y形福节课点1个趣、K形马节呀点2个言；段重扰庆游交矿通伏大样学尊在《自应异力钢导管混侮凝土匙节点舍疲劳蹄试验嘉研究》课滑题炮进锡行冻了1个K形节微点钢数管混粮凝土谨结构汁试件枝的疲碗劳试编验。为了屿验证窗公式魂所示亩疲劳架抗力福方程虎式的饥合理散性，友将上估述4个墨钢否管震混适凝女土逝结恒构猎疲勤劳念试羡件粗的义试残验稿结崇果塌进轧行旨整渣理充分耐析浇，鹅根忧据划试话件员的恢疲印劳坛寿贸命唱，厅按潮照街上枪述脉公绘式命计羽算谋出笔该密试胜件税的辅计京算转疲浸劳炊强答度甩，峡同六时俩按悬公吓式红计遣算伍其宋应寻力绿集争中抽系切数γs馋c，岗最葛后蛙得怀出赞试聋件歇的产设冬计女疲尝劳廊强臣度[σ0]度/律γs爱c，从皮而得律出下祝表所中示的捧分析或结果谷，从盈表中遣可以但看出鼻，设则计疲驾劳强杰度均煤小于表试验检疲劳窑强度庆，比进值在傲之间去，说沫明上州述疲由劳抗卫力方肥程式约是安誓全、右合理备的。钢管野混凝并土桥嚷西部懂课题宿疲劳拉试验弃模型感（西益南交返通大狂学）2管浪管图节搜点假疲傍劳自调预言应喜力量钢茅管胁混五凝必土究节打点违疲拆劳套试臣验碧模书型侄（恶重奖庆法交责通减大胖学诱）2管讲管床节双点黎疲疮劳2管缩慧管搬节鹿点弯疲议劳疲劳杀试件昨的计托算与杰实测句疲劳孝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从上拼表所壶示的蓝分析狐结果欲，均燃小于慈试验绝疲劳载强度怠，比军值在萄之间洞，说路明上嘉述疲鲁劳抗疫力方凉程式君是安饶全、贸合理轻的。3板管那节点恭疲劳思试验试验试件滋主管鸡采用嫩φ80雄0×弹20，管她内填渗充C时5医5混凝跪土；邮支杆果采用3陆1故0乎×词3说0撞0仙H型钢歉，翼绵缘板际厚24野mm，腹比板厚1墨2苹m态m；亏主很管勒与薄支循杆向交针角4班5培°，坊节呢点末板躬厚1民0祝m快m，节港点板蔑一侧樱与模赖拟支裳杆的困工形衡杆件赴翼板像用高皆强度婆螺栓低连接卫，另晴一侧手与主良管焊湾接，硬节点御板在画端部登采用1深.绑6偷6倍况的胳宽妻度耻放右大密系悦数淡。3烧.粪1静饲载凑试蒸验为椅了放解涂试贸件球受份力餐时乘的讽应鹿力屈分嗽布币状虫态忙，展首声先谱进秋行搅静梦载寇试谜验高，酸采喊用2马0破0错0绘K刊N液压驴伺服寨疲劳明试验损机加只载。糟加载霞时首邻先预谣拉到10昂00详kN，圆再匪回丹零号，千重复复撤三消次少，垃以手消细除昆试极验舅工夫装亦安塑装废精浑度远的己影岛响给。鞋然蠢后乔每访级居荷航载裙加帅载20绞0k腿N，屡逐鱼级耀加摩载讲至10担00震kN，街最赴后浮每仁级醋荷岔载摘卸膀载2用0洒0我k足N，因逐情级抗卸炎载钓至0。如纳此重脖复3次芳，堡试毕验绝结量果傲取债三饲次并测跳试估数丘据聪的捕算外术辨平经均幸值原。3板蝴管杜节斧点锄疲雕劳拆试樱验试件渔照片垂卸直砖于锦连误接偿焊毅缝滤的雄应污力僻分招量隆分星布析情纸况(腐M喘P调a理)3板员管秧节说点拍疲魂劳晋试标验3愉.纵2有限辞元分躲析为进坡一步孝掌握致试件琴的受天力特亩征，鞭根据蛇试件出几何蚁尺寸日建立暑有限距元模夕型试废件的苍应力休分布立情况功如下颂图所谊示。节点牢板侧帖垂直欢于连赴接焊奸缝的猫应力微分量拱肋靠壁侧装垂直果于连北接焊汗缝的贤应力赶分量3板物管删节画点怎疲总劳撒试吴验分鸭别时取荡静拢载穷试庸验胶测德点嫌的煌竖扬向僵应牢力程分栋量忠和哗垂神直通于慢连魂接自焊真缝填的跟应杨力秒分值量梢与柱图贯中谜测亚点倍计望算呜值业进脏行鞋对路比坝，萝可遇知滔节枝点但板吊侧厦的递计巴算丧值星与己实改测跌值封具害有晒较项好以一旷致尸性肠，茧拱残肋刮壁愤侧谈的平测进点闷应缓力致值喊与脚计仰算钓略捧有亲差候异禾，匙但摩分症布扣规墨律粒基腔本御一际致唇。虾最访大腰应桨力妈出居现轮在型节膛点肃板胃与移拱挑壁揉连卸接遣焊抢缝都端疾头龙（辨大叶交堡角薄处觉）仓以逢及英连逃接拿焊义缝絮的揪拱借肋铸壁悟侧睁，向这逆两着处刃为旷疲娇劳妈试敌验繁的差可献能狸破田坏姜位帐置关。3板兴管灵节否点固疲互劳唉试担验3居.纠3疲劳碧试验本馅次欧共孝进拣行丛了4个水模亩型饿试榨件愿的叹疲奔劳委试齿验虎，旁分赔别沈按件复杯合归应煌力烟法触和牛简值单薪应丹立舰法亏进驾行桃试马验破数育据勿的喂处剖理填分筐析柄。崖前3个尺模皱型归试夏件然的悼试劳验虚结爸果滨见胆下首表枣，G熔-驰4试件涛在10颜-5两50绪kN荷盒载灵下闭疲秒劳艘循咐环改至37鹅37歪68运1次挣时真仅奸发首生疏微纷小宗裂件纹票，幕提凤高毯荷构载剪至1抛0劈燕-凤8昏3坊0养k汤N继续姜试验吵，又侧循环36略05捉96（孔等讨效1译0驴-夹5车5景0靠k免N荷易载宿为5摄2摧6被4准4徐7接9）拌次酬裂阿纹纲扩虽展树到中与野其博它腰试城件茂大穿致蒸相牧同宫的伙长覆度肿。各堡试泊件巧疲蒸劳闲试代验珍均访在虽连呢接索焊丈缝省和游节移点幼板挂下治侧认端佩头易发井生蛙破孟坏帜，倒破馒坏踩方汽式覆与唯有古限出元疤计赌算墙的叛结盼果奸是诉一姿致警的凯。4根禾试照件勇中丸有2根是鞋从中寒部弦项管侧帮焊趾撇首先抱起裂介，2根从岗焊缝耳下端伍头起旁裂，拘表明笔两部楼位率灾先起迈裂的仁概率桃大体层相同峰。3板伪管运节载点题疲乐劳势试戒验疲劳言试验超结果店数据讲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板塞管御节腐点约疲挪劳托试泉验⑴落复滚合辈应行力肠法lg源N=秤13盗.0哀86涝-3抹.4梅51谜lg曾σ，σ遣0克(灰21计06)比=气9揭1培.翻6捞(跪M唉P恶a拘)相关提系数γ借=枯-搬0山.缝9植9横9，均澡方差S稿=稀0慨.贯0皂2宴7，取97榜.7钩%保证跪率，鼠即减短去两御个标至准差腾，得丸回归息曲线宣下限稍为：l累g瞧N看=房诚1丑3侦.维0颗3群2蝴-井3荷.鸽4条5洋1煤l柴g朽σ，σ径0触(否2106)饱=侄8墓8舍.披4竿(弱M各P亲a集)（1)⑵简布化应掉力法lg荡N=查13咐.4筒49容-3吴.4膀51穿lg灶σ，σ0当(融210确)燥=1丹17汗.8虹(M宜Pa产)相义关吴系月数γ盲=佳-斜0密.狐9帮9蜘9，均牌方差S=划0.盼02掉7，取97虹.7培%保刺证素率详，羽得酷回资归据曲剩线靠下君限南为修：l情g剂N收=拔1知3撞.生3多9纹5挤-悔3荐.船4足5强1碗l俭g天σ，σ纺0逮(阶21箭0赵