圆管混凝土T 型焊接节点热点应力试验研究

童乐为,王 柯,2,史炜洲,3,陈以一

(1.同济大学 建筑工程系,上海200092;2.香港大学土木工程系,香港;3.上海建筑设计研究院有限公司,上海200041)

圆管桁架具有优良的结构性能和柔和明快的外观,在国内外的土木、建筑、海洋、机械等结构中得到普遍应用.在圆管桁架的主管里填充混凝土是一种新型的钢-混组合结构,可显著提高圆管桁架整体的承载能力.近年来我国已越来越多地将其应用于大跨度桁式拱桥,包括跨度为460 m的巫峡长江公路大桥[1].除此之外,类似这种形式的组合结构也已在海洋固定平台结构、高耸结构中应用.最近正在建造的610m广州新电视塔采用了圆管混凝土柱,斜撑、水平环梁采用圆管,并与圆管混凝土柱直接焊接[2].另外,仅在节点区域的主管内填充混凝土,也可作为加强节点刚度、强度的措施.

通常在圆管桁架的杆件交汇处将支管直接焊接到主管上,形成所谓的相贯节点.由于在节点处焊接了多根杆件,使得节点空间几何形状发生变化,刚度分布不均,应力集中,受力性能复杂,因此节点强度是圆管桁架设计中的一个重要问题.近20多年来,关于节点静力强度和疲劳强度,国内外都取得了丰硕的研究成果,针对一些常用的节点型式提出了强度设计方法和计算公式.国际钢管结构发展与研究委员会(CIDECT)还出版了一系列技术指南[3].其中,针对钢管节点疲劳设计,提出了基于热点应力概念的评估准则,包括获得热点应力的方法和一些节点型式的应力集中系数的计算公式.

关于主管内填充混凝土的钢管焊接节点的静力性能,我国学者周绪红[4]和日本学者Y.Sakai[5]等进行了一系列研究,分析了节点的破坏模式和机理.但对钢管混凝土焊接节点疲劳性能,目前还缺乏了解.掌握节点疲劳性能及疲劳强度首先要了解节点的应力分布特性.本文以最基本的T型节点为对象,沿袭应用空心圆管焊接节点热点应力的基本理论和方法,试验研究圆管支管-圆管混凝土主管焊接节点分别在支管轴力和平面弯矩作用下的热点应力及其应力集中系数.

1 试验方案

1.1 节点试件设计

图1为所设计的T型节点试件,支管为圆管,主管为圆管混凝土,称为圆管混凝土(concrete filled circular ho llow section,CFCHS)节点 ,共 10 个.为了直接比较有混凝土与无混凝土的差异,补充了圆管(circular hollow section,CHS)节点试件.表1列出了所有节点试件的几何参数,圆管材料均为Q345B.为避免节点区域受支管加载端及主管两端支座的影响,支管和主管长度分别设计成各自管径的3倍和6倍.圆管混凝土节点考虑了不同的几何参数β,γ,τ以及混凝土标号的影响,可做直观的比较.圆管节点 CHS几何参数与圆管混凝土节点CFCHS-1,CFCHS-6,CFCHS-7一致.支管与主管的连接按照有关规程采用全熔透坡口对接焊缝[6].主管一端封闭,另一端浇灌混凝土后用端板封闭,混凝土按照常规施工方式进行浇捣.

试件在主管两端简支,试验时通过竖向和水平千斤顶对支管端部施加3种荷载工况,分别是轴向压力、拉力和平面弯矩.依据事先估算,加载时控制钢管和混凝土工作在弹性范围.

图1 节点试件及加载装置Fig.1 Specim en and loading equ ipm ent

表1 试件几何尺寸Tab.1 Specimen sizes

1.2 节点热点应力测试方法

管结构构件中的应力在节点处因应力集中效应而增大,成为所谓的热点应力(hot spot stress).国际上定义管节点的热点应力为由节点几何形状引起的,在焊趾位置的最大几何应力,排除由于施焊不确定因素(焊缝几何形状和缺陷等)而引起的应力局部增加.以相贯焊缝为界,两侧均有支管的热点应力和主管的热点应力.为了排除焊缝的影响,CIDECT指南提出了有关圆管节点获得热点应力的外推方法及其外推区域(图2)[3].以往研究表明,圆管节点在相贯线的冠点或者鞍点处,热点应力较大.本文按照CIDECT指南的规则,在主管、支管的这些鞍点(图3中的 90°,270°位置)、冠点(图 3中的 0°,180°位置)布置了外推测量线,即主管上的G1～G4和支管上的G5～G8.另外,为了考察填充了混凝土后是否在冠点与鞍点之间还存在较大的热点应力,CFCHS-1和CFCHS-2两个试件在G1与G2之间、G5与G6之间也分别等间距地(每隔22.5°)布置了3条外推测量线.每条外推线,实际上是一个特制的单向应变片串,由间隔2mm并在同一轴线上互相平行的4个应变片组成,可测量应力的梯度变化,并外推得到主管、支管在焊趾处的热点应力.CIDECT指南指出,对于圆钢管节点可将试验中测得的应变乘上系数1.2转换为应力[3],本文采用同样方法将应变转换为应力.

图2 圆管节点的热点应力外推方法Fig.2 Extrapolation method for hot spot stress

图3 试件外推测量线布置Fig.3 Layout of extrapolation m easurem ent lines

2 试验结果与分析

采用应力集中系数 SCF(stress concentration factor,为热点应力σhs/支管名义应力σn),易于反映节点处不均匀分布的热点应力特性以及应力集中程度,便于设计应用.因此,本文的热点应力测试结果都用SCF来体现.

2.1 热点应力不同外推方法的结果比较

CIDECT指南提出的热点应力外推方法有一次(线性)外推和二次(非线性)外推两种.通常认为两种外推结果的差别在15%以内,可采用一次外推,否则,非线性程度较高,应采用二次外推.以往的研究表明,圆管节点适用一次外推的方法,而方管节点在菱角处由于应力集中程度高,需采用二次外推的方法[3,7].图4为所有圆管混凝土节点CFCHS在支管拉、压、弯3种受力状况下采用两种外推方法测得的热点应力集中系数SCF,比较发现在主管和支管上,二次外推的SCF比一次外推的分别大6%和25%.这说明就本文研究的圆管混凝土节点而言,主管可采用一次外推,而支管需采用二次外推.为此,文后所涉及的SCF值,都是来源于这样的外推处理.

图4 一次与二次外推的SCF结果比较Fig.4 SCF com parison betw een linear and quadratic extrapolation

2.2 节点应力集中系数SCF分布特性

钢管节点CHS在主管填充混凝土形成钢管混凝土节点CFCHS后,节点应力集中系数SCF在某些方面维持原有特性,在某些方面发生了变化.图5～8分别为CHS,CFCHS-1,CFCHS-4和CFCHS-10节点在轴向受力和平面受弯工况下,沿相贯线在主管侧和支管侧的SCF分布图.图中:公式表示来源于CIDECT指南有关钢管T型节点SCF公式的计算值;试验表示来源于本文的试验值;Com表示受压;Ten表示受拉.图5～8中横坐标的角度位置参见图3,360°位置的SCF即为0°位置的重复.

2.2.1 钢管节点CHS

由图5可见,就试验的钢管节点而言,无论是轴向受力还是平面受弯,CIDECT指南的钢管T型节点SCF公式计算值总体上比试验值大些,能较好地预测钢管节点在主管侧和支管侧的应力集中系数及其变化.SCF值受轴力时大,受平面弯矩时小;相同受力条件下在主管上大,支管上小.轴向受力时受拉与受压相比,受弯时受拉侧(图3中的0°)与受压侧(图3中的180°)相比,并没有反映出SCF在拉、压上的显著差别,因此CIDECT指南的SCF计算公式并不区分拉与压的受力条件.受弯工况时,SCF在冠点处(即0°或180°,此处远离中和轴)达到最大;轴向受力时,SCF在鞍点(即90°或270°)达到最大.

2.2.2 钢管混凝土节点CFCHS

限于篇幅,本文仅给 CFCHS-1,CFCHS-4,CFCHS-10这3个有代表性节点的SCF分布,见图6～8.相比钢管节点,绝大多数钢管混凝土节点的SCF减小,沿相贯线分布趋于均匀,尤其在轴向受力的工况下表现得格外突出(作为比较,图中SCF公式计算曲线是把钢管混凝土节点视作无混凝土的钢管节点而得到的).只有极少数钢管混凝土节点的SCF比钢管节点略微大些或者接近(如图8a).

图5 CHS沿节点相贯线的SCF分布Fig.5 SCF distribution s along CHS join t

图6 CFCHS 1沿节点相贯线的SCF分布Fig.6 SCF distributions along CFCHS 1 joint

在轴力工况下,SCF分布中最大值位置与钢管节点有所不同,通常出现在冠点(即0°或 180°);主管上的SCF比支管上大.以每个试件中最大的SCF值为对象,测得钢管混凝土节点的SCF在 2.72～12.50之间,而当它们为钢管节点时,计算的SCF在8.14～15.28之间.轴拉的 SCF明显比轴压大,前者比后者大12%～72%.

在弯矩工况下,SCF分布中最大值位置仍与钢管节点相同,出现在远离中和轴的冠点位置(即0°或180°);主管上的SCF与支管上的接近.以每个试件中最大的SCF值为对象,测得钢管混凝土节点的SCF在1.27～3.19之间,而当它们为钢管节点时,计算的SCF在2.80～4.40之间.与轴向受力不同,弯矩受拉侧的SCF没有反映出总是比受压侧大的现象.

节点的热点应力及其SCF分布与节点的刚度分布密切相关,主管内填充混凝土后改变了原钢管节点的刚度分布,因此CFCHS节点与CHS节点在SCF最大值位置和数值上有所差异.由于混凝土使节点刚度趋于均匀,故CFCHS节点比CHS节点总体上具有更低的应力集中系数.

图7 CFCHS 4沿节点相贯线的SCF分布Fig.7 SCF distributions along CFCHS 4 joint

图6和图8的实测数据反映在鞍点(270°)～冠点(360°)范围内(参见图3),虽然有可能存在比鞍点的或冠点的SCF大的点,但是大多数还是鞍点或冠点的SCF大.因此,为便于测试以及疲劳评估,钢管混凝土节点还是可像钢管节点那样仅关注鞍点或冠点的热点应力.

图8 CFCHS 10沿节点相贯线的SCF分布Fig.8 SCF distribu tions along CFCHS 10 join t

支管轴向受拉的SCF大于受压的SCF现象,其机理在于受拉时主管管壁与内填的混凝土有脱开的趋势(图9),使得管壁局部变形和应力增大.然而,在支管受弯时,由于受拉侧区域较小,同时试验时弯矩作用不大,致使受拉侧SCF未表现出总是大于受压侧的现象.

图9 CFCHS节点的变形特点Fig.9 Deformation feature o f CFCHS joint

图10和图11分别为在支管轴力和弯矩作用下,几何参数β,τ,γ和混凝土强度标号对钢管混凝土主管(图 10涉及鞍点和冠点,图 11仅为冠点)的 SCF影响效应.考察 β,τ,γ和混凝土标号这4个参数的影响,都是在其中3个参数不变、另1个参数独立变化的情况下进行的.由图可见,虽然钢管混凝土节点主管上的SCF绝大多数都显著地小于钢管节点主管上的SCF(图中钢管节点的SCF是按无混凝土钢管节点SCF计算公式得到),SCF受几何参数影响的变化规律与钢管节点基本一致.混凝土强度标号的变化对SCF影响不显著可不予考虑.

图10 受轴力时几何参数和混凝土对主管的SCF影响Fig.10 Effect of geom etric param eters and concrete on SCF un der axia l loading

由于篇幅限制,本文未给出在支管轴力和弯矩作用下,几何参数 β,τ,γ对钢管混凝土支管上 SCF的影响效应图,但是,从测试的数据看,没有呈现出与钢管节点类似的变化规律.

图11 受弯矩时几何参数和混凝土对主管冠点的SCF影响Fig.11 Effect of geom etric param eters and concrete on SCF under bending

3 结论

根据有关主管内填充混凝土的圆钢管混凝土T型焊接节点在支管轴拉、轴压、平面弯矩作用下的热点应力试验,可得到以下结论:

(1)圆钢管混凝土节点可参照圆钢管节点热点应力外推方法获得热点应力,对主管上的热点应力可采用线性的一次外推,对支管上的热点应力需采用非线性的二次外推.

(2)圆钢管混凝土节点仍像圆钢管节点那样,鞍点或冠点位置的热点应力比鞍点与冠点之间的热点应力大,鞍点、冠点是圆钢管混凝土节点疲劳评估时的关键位置.

(3)圆钢管混凝土节点的热点应力集中系数SCF比相同几何参数的圆钢管节点的SCF显著减小,热点应力分布变得均匀一些,这些特点在支管受轴力工况下尤其突出.

(4)在支管受轴力工况下,通常在圆钢管混凝土节点处主管的SCF比支管的SCF大;最大热点应力位置在冠点,然而,相同几何参数的圆钢管节点最大热点应力位置在鞍点.在支管受弯矩工况下,圆钢管混凝土节点主管的SCF与支管的SCF大小接近;最大热点应力位置与相同几何参数的圆钢管节点一样,发生在冠点.

(5)圆钢管混凝土节点,支管轴拉较轴压更为不利,SCF明显比支管轴压时大.此现象归结为受拉时主管管壁与混凝土有脱开的趋势,主管变形增大,传力不均.但是,在支管平面受弯时,受拉侧SCF未必总是比受压侧大,可能是受拉侧区域偏小.

(6)量纲为一几何参数对圆钢管混凝土节点在主管上的SCF影响效应与圆钢管节点基本一致.

(7)主管内填充的混凝土,其自身强度标号的高低变化没有显著地影响圆钢管节点的SCF.混凝土的作用主要是显著地改善了圆钢管在节点处的刚度分布,从而有效地降低了应力集中系数,这样的效应必然有助于提高圆钢管节点的疲劳强度.

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