钢管混凝土桥管节点疲劳性能研究现状

郭春华，刁 砚

(1.绍兴市曹娥江袍江大桥建设工程指挥部，浙江 绍兴 312000;2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

1 研究概述

管结构节点是一种非常复杂的结构，影响其疲劳强度的因素是多元化的，抗疲劳设计的措施也需从结构细节、焊接工艺以及焊后处理等多个方面进行综合治理。设计过程中，对节点进行疲劳验算具有相当难度。除了我国现行的桥梁设计规范对管结构设计尤其是疲劳验算尚无规定外，即使采用国外规范也难有相对应于类似节点细节的S—N曲线，因此，需将管节点简化为平面节点。同时，尽可能采用热点应力幅进行疲劳验算。但是如遇到一些特殊的节点，无论是采用参数方程或是进行有限元局部分析求得应力集中系数，都感到把握性不大。目前按美国钢结构焊接规程(AWSD1.1)所提供的 S—N(ET)曲线，以腹杆名义应力进行验算，再辅以验证性的疲劳试验，可能是最好的解决办法。它既验证了疲劳设计，又对人们关心的结构耐久疲劳寿命有一个定量而直观的解释。为了确保国内大量在建和已建的钢管混凝土拱桥管节点的使用安全和可靠，明确其应力分布特征，充分了解管接头几何形状、焊后热处理等因素对其疲劳性能的影响，促进我国桥梁设计规范的发展和完善，非常有必要针对焊接钢管混凝土管节点的焊接工艺及疲劳性能开展试验研究。

2 国内外研究现状分析与评价

2.1 空心管结构桥梁的发展

随着结构轻型化的发展，空心管结构正日益受到国内外建筑结构行业的重视，但是桥梁结构的轻型化意味着受活载影响的疲劳问题更加突出。尽管桥梁管结构百年前即问世于英国(Forth桥)，但发展速度较慢，同时结构形式以拱式结构居多。自20世纪70年代以来，由于世界海洋工程的快速发展，空心管结构也得到了再次发展的机会。冶金、焊接以及计算机技术的进步，备受人们关注的管结构相贯焊接节点应力分布、承载力及疲劳问题的研究有了很大的进展，也为空心管桥梁结构的发展创造了条件。

20世纪70年代日本曾建成跨度为173 m的管结构悬索桥(金比罗桥，采用 STK41φ406×11，φ140×6.5，φ165×6无缝钢管，为全焊结构)。后来日本北海道分团又建造了泷下(Takashita)桥，该桥为 SMA490全焊正方形管(750 mm和350 mm正方形管)桁架桥。此外，美国及欧洲一些国家虽然也先后建造了一些空心管桥梁，但其结构依然有着进一步发展的空间。

进入20世纪90年代，大跨度悬索桥在我国有了长足的发展。1998年开工修建的重庆忠县长江公路大桥采用单跨560 m的大跨径悬索桥跨越长江，这是我国首座采用空间三角形焊接钢管桁架为加劲梁的悬索桥。该桥空间焊接钢管桁架高3.3 m，上下弦杆分别由5根和4根材质为Q345C的φ325×12无缝钢管组成，腹杆采用 φ152×11无缝管，横断面呈倒梯形状。腹杆与弦杆节点处采用相贯焊接，最多有6根腹杆交汇。横梁为焊接工字梁，开孔穿过并焊连于上弦节点。三角形桁架节间长4 m，吊杆按间距8 m设置。加劲梁分35个节段在工厂加工，标准节段长14.20 m，重约400 kN。工地节段连接采用10.9级摩擦型高强度螺栓。

2.2 国外管节点的疲劳研究状况

就空心管结构而言，节点腹杆采用相贯焊接时，受弦杆变形影响，相贯线上的应力不再是均匀分布，应力集中问题十分突出，焊接残余应力和焊接缺陷更使相贯线连接雪上加霜，疲劳强度常会成为设计的控制因素。近几十年来国际焊接学会(IIW)，美国焊接学会(AWS)，欧洲钢结构协会(ECCS)等纷纷对管结构及其连接进行了大量的试验研究工作，形成了一系列配套完整的规范。日本建筑学会、土木学会、道路协会和运输省铁路局所编制的“钢管构造设计施工指针”、“钢构造物设计指针”、“道路桥示方书”及“铁道构造物等设计标准”，均对管结构及其疲劳验算有明确的规定。

对空心管结构疲劳试验研究来说，最值得一提的是1975年—1980年欧洲经济共同体及挪威等六国进行了的海洋焊接钢结构在疲劳荷载作用下工作性能的研究计划。这一计划由英、法、西德、荷、意以及挪威承担，计划的基本目的是了解焊接管接头的疲劳性能(不包括外荷载的研究)，研究了管接头几何形状，焊后热处理，接头加强等因素对疲劳强度的影响，做了近300只各种尺度的钢管接头模型试验。在管接头应力分析方面，采用了有限元法、光弹性和塑料模型法以及实际尺寸钢模应变测量法来研究接头应力分布情况。

2.3 我国管节点的疲劳研究状况

近些年来，由于海上石油开采事业快速发展的迫切需求，我国的上海交通大学、天津大学、海洋石油勘探开发设计研究院、船舶及海洋工程设计研究院和中国船舶科学研究中心等科研院所纷纷对海洋平台管结构的疲劳问题进行了研究，并做了不少有益工作。进行了简单及加强T型接头的应力分析，研究了国外有关大量资料，编写了关于接头强度及疲劳性能的综合资料，对用国产Z向钢制造的钢管节点进行了疲劳试验研究。目前针对海洋平台，中国船级社于1992年颁布了“海上固定平台入级与建造规范”，并要求对管结构节点的疲劳设计应按照热点应力进行验算。所有这些工作均对我国桥梁管结构的设计具有极大的参考价值。

目前，国内的桥梁设计规范对管结构设计尤其是疲劳验算尚无规定。在桥梁焊接钢管节点疲劳研究方面，西南交通大学近年来先后进行了多项富有成效的研究:1998年承担了我国首座采用空间三角形焊接钢管桁架为加劲梁的忠县长江公路大桥管节点的疲劳试验研究;2000年承担了目前我国最大跨度铁路钢管混凝土拱桥—北盘江铁路大桥的焊接钢管节点疲劳试验研究;2002年承担了跨度居世界同类桥型之首的巫山长江大桥钢管节点疲劳试验研究，2003年承担了交通部西部交通建设科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工及养护关键技术研究”的子课题“焊接钢管节点的力学行为及其疲劳寿命研究”。

2.3.1 重庆忠县长江公路大桥疲劳试验

重庆忠县长江公路大桥焊接钢管桁架疲劳试验模型设计为倒三角形空间管桁架，其杆件断面及轴线交角，节点内的构造按足尺模拟，桁高、节间长度、桁宽按1∶2缩尺模拟。模型梁按简支设计。该桥设计时疲劳加载参照美国AASHTO规范，疲劳细节分类参照美国钢结构焊接规范(ANSI/AWS D1.1-94)及欧洲钢结构协会(ECCS)钢结构疲劳设计规范进行。经验算，疲劳以主腹管相贯连结焊缝处应力幅控制设计。该结构疲劳加载可按弦、腹管设计名义轴向应力幅的1.1倍考虑，见表1。

表1 忠县长江公路大桥疲劳试件加载 MPa

疲劳试验采用JN-500型疲劳试验机加载，加载点位于试验梁跨中，下限载荷 Pmin=(20～30)kN，上限载荷 Pmax=(400～410)kN，荷载幅 ΔP=380 kN，试验机加载频率 f=(4.0 ～4.5)Hz。

第一榀试验梁加载约160万次在上弦主腹管相贯线趾部的焊趾处主管热影响区开裂后，沿相贯线方向对称逐步扩展到鞍部，再发展到主管，整个裂纹方向与主管正应力方向成正交，加载至200万次，裂纹最大开展长度约300 mm。上弦节点共计3处裂纹，均为拉杆，下弦节点未发现裂纹。另在上弦端节点横梁腹板加劲肋处有裂纹发生。

第二榀试验梁基本情况与第一榀相似，加载至150万次在同样位置处开裂，加载到180万次时最大裂纹开展宽度约为10 mm，试验终止。总计开裂4处，3根为拉杆，1根为压杆。

试验结果表明，主腹管相贯焊接处疲劳裂纹均在主管热影响区，两榀试验梁疲劳开裂数占上弦节点总数的35%，占下弦节点总数的37.5%。

2.3.2 北盘江铁路大桥疲劳试验

北盘江铁路大桥主跨采用236 m上承式钢管混凝土桁架拱。其节点疲劳设计参考美国AWS规范及欧洲ECCS-TC6进行。该桥节点的构造类型多，较典型的有钢管混凝土与钢管、钢管与钢管及钢管混凝土与型钢三种类型。为验证设计，进行了少量节点疲劳试验，试件设计基本上反映了上述的三种连接类型。

按照几何相似的要求，同时又满足相连构件之间直径比及壁厚比不变的条件，整体模型比例尺约为1∶2，构架分A、B两类，分别模拟管节点及管—杆节点，同时对主体杆件填充混凝土，实现了钢管混凝土—钢管、钢管混凝土—型钢及空管—空管的三种连接形式。构架采用平面结构，所有连接构造及工艺要求均同于实桥，控制应力幅发生在斜杆上。

按ANSI/AWS D1.1-98:完全熔透焊缝的 T，Y或 K形节点，主管在每一交接点符合冲剪要求，应力类型为DT级，200万次的允许应力幅为40 MPa;部分熔透焊缝的T，Y或K形节点，主管抗剪、冲剪不能承受全部荷载，应力类型为 ET级，200万次的允许应力幅为20 MPa。

该桥钢管相贯节点的焊接坡口完全是按ANSI/AWS D1.1-98中“管材 T，Y和 K形节点的完全熔透(CIJ)焊缝的免除评定细节—有限厚度的标准平直状平面形状”对施工单位进行要求的，对应到上面的DT级。考虑到相贯焊缝大多为工地焊接，且焊接工艺与美国有一定差距。设计按部分熔透焊缝的T，Y或K形节点，应力类型为ET级进行检算。横联直管最大疲劳应力幅为9.14 MPa，横联直管最大疲劳应力幅为8.94 MPa，满足 ANSI/AWS D1.1-98 要求，且有 54%的富裕量，不控制设计。

2.3.3 巫山长江大桥疲劳试验(见图1)

巫山长江大桥模型为DY型的三角形平面管桁架，主要针对主管不填充混凝土和填充混凝土来区分为空心管节点模型和钢管混凝土节点模型，荷载是通过肋板传递的，且肋板与水平支管和斜支管焊接相连，实现了钢管混凝土—钢管、空管—空管及空管—肋板三种连接形式的模拟。

图1 巫山长江大桥试验模型(单位:mm)

疲劳试验结果发现:三组钢管混凝土节点试件中，一组试件(编号为 WCFJ1)在应力幅Δσ=30 MPa，加载次数达到300万次时没有破坏;另两组试件(编号为WCFJ2和 WCFJ3)在应力幅 Δσ=45 MPa，加载次数＜200万次前发现裂纹，裂纹均发生在肋板与支管相连处。后两组试件实际上研究了空管—肋板连接形式在应力幅Δσ=45 MPa的疲劳寿命。

2.3.4 交通部西部课题疲劳试验(见图2)

西部课题疲劳试验研究，是对钢管混凝土节点的疲劳行为进行了进一步深入研究。模型形式仍采用DY型的三角形平面管桁架，为了区分开管—管节点疲劳破坏和管—板节点疲劳破坏，西部课题特设计了两种模型:管—板节点模型和管—管节点模型。通过对这两种连接形式进行试验，探讨了这几种焊接接头的疲劳强度及其疲劳破坏途径和形态，并得出如下结论:①钢管混凝土管节点的疲劳承载寿命高于空心管节点和板管节点承载寿命，其中板管节点又高于空心管节点。②局部开坡口或填角焊缝的钢管混凝土节点疲劳强度容许修正系数可取2.0。③空心管节点和钢管混凝土管节点，疲劳破坏途径和形态无变化，即裂纹起始于热点(在相贯线主管侧焊趾)，沿着相贯线在主管侧焊趾延伸，并扩展到主管壁上，最终使结构丧失承载能力，其破坏呈现脆性断裂形态。板管节点裂纹起始于管端焊趾，破坏形态也表现为脆性断裂。④裂纹产生以后直到其扩展很长的范围内，节点刚度几乎不变，但其寿命与节点的总寿命相比相当短促。

图2 西部课题疲劳试验模型(单位:mm)

3 近年来的研究方向

3.1 焊接工艺研究

正确的焊接工艺和焊后处理可以减少应力集中程度，改变残余应力分布甚至产生有利的残余应力。因此，拟通过试验研究和理论计算分析，确定合理的焊接工艺和焊缝形式，提出可提高疲劳强度的焊后处理方式。主要包含如下几点:①管结构用材的韧性指标;②焊接接头的强韧比;③焊缝金属和母材金属的强韧性匹配;④焊缝形式的确定;⑤残余应力测试;⑥提高疲劳强度的有效工艺措施，如TIG熔修、砂轮打磨和锤击法等。

3.2 钢管相贯节点的极限承载力及疲劳性能验证性试验研究

钢管空间桁架采用钢管相贯焊接的连接方式，钢管相贯节点的极限承载力和疲劳寿命以及钢管相贯节点的残余应力，国内外现有桥梁规范中尚无相应的设计条文。拟通过少量的验证性疲劳试验，重点研究钢管相贯节点极限承载力，疲劳寿命的可靠性评估以及残余应力对极限承载力和疲劳寿命的影响。

3.3 疲劳强度检算及疲劳寿命评估

对管节点的疲劳强度进行检算，并对其安全性及疲劳寿命进行评估。实施方案如下:①对疲劳模型试验结果进行分析;②进行精细三位有限元模拟计算分析;③提出可用于实际工程的管节点疲劳强度检算及疲劳寿命评估流程。

4 疲劳模型试验方案的制订原则

参照国内外对管节点疲劳试验的研究成果，针对管结构节点的特点，考虑到疲劳加载设备的能力和模型设计的难点，采用节点构造典型化处理的方法，构造平面和空间节点模型。制订试验方案考虑以下原则:

1)模型采用的杆件断面必须与实桥相同，但节点形式可有差别，相贯焊接工艺及检验标准同实桥，以真实反映几何尺寸和焊接残余应力的影响。

2)管结构T，Y和K节点中，以T型应力集中最严重，K型情况最好，模型设计时应考虑这一特点，此外，模型设计还应考虑平面和空间节点的对比。

3)以斜管的设计名义应力幅为控制疲劳试验加载的标准，相贯线上热点应力仅作比较，不作控制。

4)以AWSD1.1中S—N曲线(ET)作为对试验结果对比判别的标准。

5)管节点的疲劳寿命判别标准及破坏准则以主管出现贯穿裂纹为限。

5 结论

对焊接管结构而言，节点是非常关键的部位，也往往是整个结构的薄弱环节。在弦杆、腹杆、横联和平纵联等杆件连接的相贯线上，受弦杆变形的影响，相贯线上的应力不再是均匀分布，应力集中问题十分突出，加之焊接残余应力和焊接缺陷等不利因素的存在，在交变荷载作用下，很容易引起疲劳裂纹的发生和扩展，并最终导致整个结构丧失承载力。因此，焊接钢管节点的疲劳问题应引起桥梁建设者和设计者的高度重视。同时，了解针对焊接钢管混凝土管节点的焊接工艺及已开展的疲劳性能试验研究，促进我国桥梁设计规范的发展和完善至关重要。

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