矩形钢管混凝土X型节点热点应力集中系数研究.pdfVIP

摘要

自上世纪90年代以来，钢管混凝土结构在我国快速发展，在海洋平台结构、公路

和铁路桥梁结构等工程结构中得到广泛的应用，目前为止国内修建的跨径在50m以上

的钢管混凝土拱桥已达400多座。但是桥梁建成后在日常服役期内，已有许多桥梁疲劳

开裂的情况出现，随着大量学者们研究发现，桥梁结构中钢管混凝土焊接管节点应力集

中系数（StressConcentrationFactor,简称SCF）是评价桥梁钢管节点疲劳性能的一个非

常重要的指标。本文采用试验研究与有限元数值模拟相结合的方法，对矩形钢管混凝土

焊接X型节点在支管轴力作用下的应力集中特性展开研究。本文开展工作如下：

（1）开展矩形钢管混凝土节点应力集中系数试验，试验共设计了8个试验构件，

分为4组对照试验来对比分析，分别探讨了X型管节点主管内有无混凝土时对焊趾处

SCF大小和分布情况的影响，以及支主管宽度比β、主管宽厚比2γ、支主管厚度比τ对

矩形钢管混凝土X型节点焊接区域的SCF值的影响规律。

（2）利用ANSYSWorkbench有限元模拟软件建立了矩形钢管混凝土X型节点有

限元模型，确定了模型中的焊缝模拟、接触关系、网格划分方法。将有限元模型计算结

果和试验实测的结果进行研究分析，发现两者结果吻合良好，从而验证了利用有限元软

件建立模型进行分析的可行性。

3β2γτ

（）采用有限元方法，通过拓展、、、这四个几何参数，探究了当支主管夹

90°β2γτ

角为时空钢管与钢管混凝土、支主管宽度比、主管宽厚比、支主管厚度比对

XSCF=45°60°75°X

型管节点焊趾处的值的影响规律以及支主管夹角、、时型管节点焊

SCF60°β2γ

趾处的值的比较，同时支主管的夹角是时支主管宽度比、主管宽厚比、支

τXSCF

主管厚度比对型管节点焊趾处的值的影响。

（4）基于试验和理论研究成果，利用软件Origin拟合出了热点位置的SCF值随无

量纲参数β、τ和2γ的参数计算公式，并用拟合参数公式计算出来的SCF值与实际有限

元数值计算结果进行了比较，同时将7个矩形钢管混凝土X型节点的试验结果分别与

拟合的参数公式计算结果也进行了对比分析，两者结果表明拟合出的参数计算公式能较

好的预估出热点位置的SCF,具有较高的精度。

关键词：矩形钢管混凝土；应力集中；数值模拟分析；SCF；参数方程

Abstract

Since1990s,CFSThasdevelopedrapidlyinourcountry,anditiswidelyusedinMarine

platformstructure,highwayandrailwaybridgestructureandotherengineeringstructures.Up

tonow,morethan400concrete-filledsteeltubearchBridgeswithaspanofmorethan50m

havebeenbuiltinChina.However,manycasesoffatigueandcrackofBridgeshaveappeared

intheserviceperiod.Asalargenumberofscholarsstudyfoundtha