铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计及试验研究.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 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σ m。 ⑶管节点的应力集中系数γsc 1 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： ⑵ K型管节点的应力集中系数γsc 弦杆： 腹杆： ⑶ KT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γt 1 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]=90.0 2 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]=90.0 3 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]=90.0 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γt 1 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]=102.0 2 腹杆与弦管斜交，θ≥30o 2 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