桁架结构焊接的要求(钢管混凝土桁架如何诊断焊接管节点的疲劳损伤？)

Posted 2023-05-29

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桁架结构焊接的要求(钢管混凝土桁架如何诊断焊接管节点的疲劳损伤？)

目前国内大力发展钢结构及钢-混凝土组合结构桥梁，钢管混凝土桁架在桥梁建设中极具竞争力。本文通过对钢管混凝土桁架焊接管节点疲劳性能既有研究进行总结，梳理目前所面临的主要问题，对未来的研究方向进行了探讨，为实现钢管混凝土桁架焊接钢管节点的疲劳损伤诊断及疲劳寿命评估提供参考。

钢管桁架结构因其线条优美、结构轻盈及良好的受力性能，广泛应用于海洋工程、工业建筑、输电塔架和桥梁工程等领域。在钢管中灌注混凝土形成钢-混凝土组合构件，可充分发挥两种材料的性能。在桥梁工程中钢管混凝土桁架较多地应用于钢管混凝土拱桥。自1991年我国第一座钢管混凝土拱桥建成以来，经过30多年的发展，我国已建成近500座钢管混凝土拱桥。近年来在梁式桥中也采用钢管混凝土桁架，如雅西高速干海子大桥和汶马高速克枯大桥（图1）。钢管桁架中钢管之间的连接多采用相贯线直接焊接的方式。由于焊接管节点构造复杂，焊缝空间分布，应力集中程度高以及焊接固有缺陷的影响，反复荷载作用下容易发生疲劳开裂，如图2所示。

（a）干海子大桥

（b）克枯大桥

图1 钢管混凝土桁梁桥

图2 钢管混凝土桁架节点典型裂纹

焊接管节点疲劳设计与评估方法

国内外学者较早地对焊接空钢管节点的疲劳问题开展了研究。基于热点应力的Shs-N曲线法已普遍应用于海洋平台钢管桁架结构焊接空钢管节点疲劳性能评估。国际焊接学会（IIW）在1999年、国际管结构发展与研究委员会（CIDECT）于2000年，分别颁布了焊接空钢管节点疲劳设计规程，推荐采用热点应力法对焊接管节点焊趾处疲劳开裂问题进行性能评估。而DNV已把断裂力学法也列入了规范，作为管节点疲劳寿命估算的分析方法。

从上世纪90年代开始，在主管内填充混凝土的钢管混凝土（CFST）桁架结构作为桁梁、拱肋、墩柱和桥塔等，在国内桥梁工程中得到大量采用。钢管混凝土桁架结构因长期服役，受荷载反复作用，再加上所处环境复杂、材料性能退化，局部损伤演化造成结构劣化，从而影响结构的服役安全性和耐久性。近年来，CFST桁架焊接管节点的疲劳问题逐渐凸显，国内已有钢管混凝土拱桥焊接钢管节点发现疲劳裂纹，在某钢管混凝土组合结构桥墩钢管节点也发现裂纹。

为研究钢管混凝土桁架焊接管节点实际应力分布状态，考察焊接细节的疲劳性能，需要在实验室中用实验模型去模拟焊接管节点在实际结构中的受力状态。目前钢管桁架桥梁焊接管节点疲劳设计时，无论是美国公路桥梁设计规范、欧洲Eurocode3，还是中国公路钢结构桥梁设计规范、公路钢管混凝土拱桥设计规范，均采用基于名义应力的Sn-N曲线法。

与空钢管焊接节点疲劳研究相比,对钢管混凝土桁架焊接管节点疲劳研究尚不充分。目前,桥梁工程中钢管混凝土桁架焊接管节点疲劳设计时,对钢管混凝土桁架焊接管节点特殊性(如构造特点，填充混凝土，受力状态)的考虑不够周全。要保证CFST桁架焊接管节点具有足够的疲劳强度,满足服役可靠性的要求,必须深入研究疲劳损伤演变驱动机理,理解结构完整性与疲劳寿命的各种评定方法。

目前焊接管节点疲劳性能评估的方法主要分为3类，即基于应力、断裂力学和基于损伤力学的方法，前两类应用较广。基于应力的方法根据应力取值的不同，可分为名义应力法、热点应力法、缺口应力法、结构应力法。

与金属材料疲劳损伤演变不同，焊接节点的疲劳寿命主要受焊接缺陷、应力集中及应力幅影响。对于焊接节点，疲劳裂纹总是起始于焊趾或焊根。基于应力的疲劳性能评估方法依赖于试验，不同焊接构造细节疲劳寿命试验结果中自然已经包含了焊接缺陷的影响。名义应力法中选择远离焊缝处的名义应力Sn作为表征量，应力集中的影响需要通过将焊接节点分类来予以表现，每一类焊接细节构建一条Sn-N曲线。热点应力法中，不考虑焊趾处非线性应力峰值，而通过焊趾附近特征点应力插值得到热点应力Shs，并将其作为表征量，仅需要少数Shs-N曲线，便可以较好地反映应力的集中。在缺口应力法中，需要在焊趾（根）处人为构造标准缺口，通过有限元计算得到缺口应力SN，并将其作为表征量，由于缺口应力包含了结构所有的应力集中，理论上只需要一条SN-N曲线。而结构应力法，则基于自由体的切面法，利用力的平衡关系确定焊趾或焊根处截面的应力分布Ss，并将其作为表征量，结构应力具有物理意义明确和对有限元网格不敏感的特点。图3给出了焊接管节点不同的应力表征量。

图3 焊接管节点不同应力表征量

基于断裂力学理论，裂纹尖端应力-应变场强度的特征参数是应力强度因子K，应力强度因子是驱动裂纹扩展的重要因素。如图4所示，初始裂纹常出现主管冠点的焊趾处，裂纹沿主管焊趾和主管壁厚两个方向同时扩展，裂纹面展开为半椭圆形，长轴为长度方向，短轴为深度方向。裂纹长2c，裂纹深a。裂纹面的两个裂纹前沿分别为裂纹的最深点和末端点，它们具有不同的应力强度因子，表现为不同的裂纹扩展速度，控制着裂纹的扩展。由Paris 公式，依据初始裂纹长度a0和最终裂纹长度以及ΔKa，进行积分计算可直接得到简单问题的疲劳寿命N。基于断裂力学的疲劳性能评估方法依赖于初始裂纹长度a及材料参数C、m。以线弹性断裂力学理论为基础，对焊接管节点疲劳裂纹扩展寿命进行预测，需要首先明确4个关键问题：初始裂纹位置、初始裂纹尺寸、应力强度因子和裂纹扩展规律。

图4 管节点表面裂纹模型

CFST管节点模型实验

圆管焊接节点有平面节点和空间节点之分，节点有T、Y、K、N、X等多种形式，如图5所示。无论是何种节点形式以及受力方式，节点疲劳裂纹几乎总是在主管或支管上的焊趾处萌生，并沿焊趾扩展。

图5 钢管桁架焊接管节点分类

根据不同的研究目标，钢管混凝土桁架焊接管节点模型试验分两类：热点应力集中系数SCF测试和疲劳寿命S-N测试。SCF测试可通过静力加载试验获得，而需要通过循环加载试验才能得到S-N关系。钢管混凝土桁架在实际桥梁结构中可能处于不同的受力状态，交汇于焊接钢管节点的各管件可能承受不同的荷载作用。理论上管件端部承受3个方向集中力（轴力、面内剪力和面外剪力）和3个方向力矩（扭矩、面内弯矩和面外弯矩）作用，考虑到桁架结构受力特点，可以将数值较小的荷载忽略。将各种复杂的荷载分解为几种简单荷载的组合：支管轴力、支管面内弯矩、支管面外弯矩、主管轴力和主管面内弯矩。

钢管混凝土桁架焊接管节点模型试验分为两类：单一节点模型试验和多节点桁架模型试验。对于单一节点模型试验常采用两种加载模式：主管约束支管加载方式和支管约束主管加载方式。对于T型、Y型节点较多地使用主管固定支管加载模式，如图6a所示；K型、X型节点较多地采用支管固定主管加载方式，可参见图6b。以主管固定支管进行加载时，主管端部通常采用铰接或固结方式。图6c则为多节点桁架加载模式，三角桁架包含了N型节点和Y型节点，主管支撑平衡加载。

（a）单一节点支管加载主管约束

（b）单一节点主管加载支管约束

（c）多节点桁架主管加载

图6 模型试验加载模式

CFST管节点疲劳寿命评估

疲劳破坏准则

钢管混凝土管节点高周疲劳裂纹也首先萌生于支管与主管相贯连接焊缝的焊趾处，随后沿着焊趾在主管壁上朝纵深方向扩展。通过对既有CFST管节点疲劳试验失效模式的分析，可以发现钢管混凝土管节点裂纹扩展是一个由慢到快的过程，裂纹扩展可分为3个阶段：主管焊趾起裂阶段、相贯线扩展阶段和管壁横向扩展阶段，如图7所示。

图7 管节点疲劳破坏模式

主管焊趾起裂阶段：裂纹从焊接固有缺陷扩展到穿透壁厚经历了较长的循环次数，裂纹面通常切割管壁，一般属张开型裂纹。受垂直裂纹方向正应力作用，裂纹深度沿壁厚方向扩展，长度沿焊趾向两侧延伸。相贯线焊趾扩展阶段：裂纹扩展深度穿透壁厚后（此时裂纹已扩展到一定长度），裂纹扩展速率开始逐渐增大，裂纹沿相贯线焊趾快速向两侧延伸。管壁横向扩展阶段：裂纹沿相贯线焊趾扩展到一定长度后，钢管壁径向刚度显著减小，裂纹由张开型转向复合型变化，受裂纹尖端正应力和剪应力作用，扩展角度发生变化，裂纹离开相贯线焊趾沿管壁横向扩展。

与空钢管节点相比，从裂纹穿透壁厚到节点丧失承载力，钢管混凝土管节点具有较长的疲劳寿命，主管填充混凝土后管节点刚度得以显著提高。钢管出现穿透裂纹的情况下，刚度变化并不明显，从而延后了节点承载力失效时间。除去焊接缺陷影响，钢管混凝土管节点初始裂纹出现位置与热点应力较大点位置基本吻合，均在冠点焊趾附近。裂纹可能是单源起裂或多源起裂，经扩展后最终汇合形成主裂纹。

名义应力法

采用名义应力进行管节点疲劳性能评估时，它可以通过材料力学的公式简单获取，但结构的疲劳强度会随着管节点类型、构造尺寸、焊接工艺等而变化，需要进行分类和修正。对于管节点而言，其S-N曲线除需要进行壁厚修正外，还要考虑节点型式（T、Y、K型等）、焊接情况（是否熔透、是否修磨、焊缝外形等）。

图8将既有试验测试结果与公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015、公路钢管混凝土拱桥设计规范JTGT D65-06-2015、美国焊接规范AWS中名义应力Sn-N曲线进行了比较。

图8 试验结果与规范名义应力Sn-N曲线

可以看出，不同类型管节点试验结果差异较大，同一类型管节点的试验结果也存在较大离散性，多数试件疲劳强度低于规范名义应力Sn-N曲线。上述3种规范名义应力Sn-N曲线也存在明显差别。

热点应力法

采用热点应力进行管节点疲劳性能评估时，热点应力可以通过有限元方法计算获取。由于热点应力中考虑了管节点构造引起的应力集中，各类管节点的疲劳强度可近似合并为一条热点应力Shs-N曲线。为考虑尺寸效应对疲劳强度的影响，也需要考虑对壁厚进行修正。各规范中Shs-N曲线在双对数坐标下一般由一段或两段直线组成，以循环数Nc为界形成不同的关系曲线。

针对海洋工程管节点特点，DNV、API等规范还给出了环境腐蚀条件下管节点疲劳设计Shs-N曲线。图9比较了管壁厚度16mm时，管节点疲劳设计的热点应力Shs-N曲线。可以看出上述3类规范Shs-N曲线（空气条件）比较接近，海水自由腐蚀条件下管节点疲劳强度折减为空气中疲劳强度的70%。

图9 典型规范的热点应力Shs-N曲线

图10 试验结果与规范热点应力Shs-N曲线

图10则比较了试验测试结果与规范热点应力Shs-N曲线，图中考虑不同管壁厚度，上侧的3条Shs-N曲线壁厚4mm，下侧的3条Shs-N曲线壁厚则为32mm。随着板厚减小，各规范热点应力Shs-N曲线差异略有增大的趋势。引用热点应力描述试验结果时，各类型管节点离散性将大幅减小。

通过分析探讨，钢管混凝土桁架焊接管节点的疲劳性能研究应具备下列特点：

（1）钢管混凝土桁架焊接管节点受原生焊接缺陷及高应力集中影响，在反复荷载作用下主管相贯线焊缝焊趾属疲劳易损部位。疲劳裂纹起裂点位置多见于冠点附近，但也会受焊接缺陷、管节点构造及作用荷载等因素影响而发生变化。

（2）采用名义应力法进行钢管混凝土桁架焊接管节点疲劳性能评估时，由于试验数据离散度大、需要增加细节分类数，细节分类较少时会导致评估方法过于保守，需要借鉴焊接空钢管节点疲劳性能热点应力评估方法，开展钢管混凝土桁架焊接管节点疲劳性能热点应力评估方法研究。

（3）采用有限元数值模拟和模型试验研究钢管混凝土桁架焊接管节点热点应力集中系数计算方法，开展钢管混凝土桁架不同类型焊接管节点疲劳试验需要进一步完善。

（4）基于断裂力学理论，应力强度因子是驱动裂纹扩展的重要因素。以线弹性断裂力学理论为基础，对焊接管节点疲劳裂纹扩展寿命进行预测需要明确4个关键问题：初始裂纹位置、初始裂纹尺寸、应力强度因子和裂纹扩展规律。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2020年第4期总第12期

作者 / 卫星肖林

作者单位 / 西南交通大学土木工程学院

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