铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计与试验研究.ppt
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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铁路桥梁钢管混凝土结构疲劳设计与试验研究疲劳设计与试验研究前前言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,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。
管混凝土桥梁结构的疲劳设计打下了工程技术基础。
11钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类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在弦杆上而形成TT形、形、YY形、形、KK形等简单管节点。
形等简单管节点。
1.11.1简单管节点的几何描述简单管节点的几何描述描述管节点的几何特征参数如右描述管节点的几何特征参数如右图所示,包括:
图所示,包括:
DD、TT弦杆外直径与管壁厚;弦杆外直径与管壁厚;dd、tt支杆外直径与管壁厚;支杆外直径与管壁厚;支杆与弦杆间的夹角;支杆与弦杆间的夹角;gg支杆间的间隙;支杆间的间隙;ee支杆与弦杆轴线交汇偏心距;支杆与弦杆轴线交汇偏心距;LL弦杆长度。
弦杆长度。
11钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类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,主要通过在管节点疲劳研究中,主要通过、指标分析其指标分析其疲劳性能:
疲劳性能:
指标指标=L/D=L/D,反映弦杆的柔度,为弦杆长度参数。
,反映弦杆的柔度,为弦杆长度参数。
指标指标=d/D=d/D,反映载荷传递和应力分布,为管径比。
,反映载荷传递和应力分布,为管径比。
指标指标=D/2T=D/2T,反映主管径向刚度,为弦杆径厚比。
,反映主管径向刚度,为弦杆径厚比。
指标指标=t/T=t/T,反映支管与主管相对弯曲刚度,为壁厚比。
,反映支管与主管相对弯曲刚度,为壁厚比。
11钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类1.21.2简单焊接管节点的应力描述简单焊接管节点的应力描述复合应力法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用,可采用主应力或折算应力表述管节点的名义应力mm,折算,折算应力计算公式为:
应力计算公式为:
简化应力法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直接以节点连接部位支管(杆)的正应力作为名义应力mm。
管节点的应力集中系数管节点的应力集中系数scsc11钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类1.31.3典型管节点构造的应力集中系数典型管节点构造的应力集中系数77及细节分类及细节分类T/YT/Y型管节点的应力集中系数型管节点的应力集中系数scsc弦杆鞍点:
弦杆鞍点:
弦杆冠点:
弦杆冠点:
腹杆鞍点:
腹杆鞍点:
腹杆冠点:
腹杆冠点:
其中:
其中:
LL为钢管节段长度,可取左右节间长度之和的一半;为钢管节段长度,可取左右节间长度之和的一半;CC为杆端约束参数,一般取为杆端约束参数,一般取0.70.7。
11钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类其中:
其中:
KK型管节点的应力集中系数型管节点的应力集中系数scsc弦杆:
弦杆:
腹杆:
腹杆:
KTKT型管节点的应力集中系数型管节点的应力集中系数scsc弦杆、腹杆的应力集中系数分别按以上两公式计算。
弦杆、腹杆的应力集中系数分别按以上两公式计算。
斜腹杆斜腹杆AA和和CC使用使用中间直腹杆中间直腹杆BB使用使用11钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类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0及板厚修正系数t1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,质量等级为级。
0=90.02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,质量等级为级。
0=90.03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,质量等级为级。
0=90.011钢管混凝土结构焊接连接的典型疲劳细节分类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0及板厚修正系数t1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。
0=102.02腹杆与弦管斜交,30o22管管节点疲劳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有价值的是欧洲国家在上世纪70807080年代耗资二千多万美元对年代耗资二千多万美元对300300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DNVDNV、英国劳氏船级社、英国劳氏船级社LRLR等通过系列试验给出了管节点的应力集等通过系列试验给出了管节点的应力集中系数计算公式,挪威船级社中系数计算公式,挪威船级社DNVDNV、美国国家标准、美国国家标准AWSAWS等还给出管等还给出管节点的疲劳节点的疲劳S-NS-N曲线。
曲线。
22管管节点疲劳管管节点疲劳2.12.1疲劳抗力方程疲劳抗力方程根据疲劳根据疲劳S-NS-N曲线,曲线,T/YT/Y型、型、KK型、型、KTKT型管管节点以及横向对接型管管节点以及横向对接焊缝、熔透焊缝的加劲肋焊接等构造细节疲劳抗力方程式为:
焊缝、熔透焊缝的加劲肋焊接等构造细节疲劳抗力方程式为:
将式中将式中N=2N=2101066代入,即可求得代入,即可求得00=90.02Mpa=90.02Mpa,引入上节公式,引入上节公式的应力集中系数的应力集中系数scsc,可得出,可得出T/YT/Y型、型、KK型、型、KTKT型管管节点的疲劳设型管管节点的疲劳设计强度计强度00/scsc。
22管管节点疲劳管管节点疲劳2.22.2试验验证与分析试验验证与分析西南交通大学在西南交通大学在钢管混凝土桥西部课题疲劳试验钢管混凝土桥西部课题疲劳试验课题进课题进行了行了33个钢管混凝土结构试件的疲劳试验,其中个钢管混凝土结构试件的疲劳试验,其中YY形节点形节点11个、个、KK形形节点节点22个;重庆交通大学在个;重庆交通大学在自应力钢管混凝土节点疲劳试验研自应力钢管混凝土节点疲劳试验研究究课题进行了课题进行了11个个KK形节点钢管混凝土结构试件的疲劳试验。
形节点钢管混凝土结构试件的疲劳试验。
为了验证公式所示疲劳抗力方程式的合理性,将上述为了验证公式所示疲劳抗力方程式的合理性,将上述44个钢个钢管混凝土结构疲劳试件的试验结果进行整理分析,根据试件的疲管混凝土结构疲劳试件的试验结果进行整理分析,根据试件的疲劳寿命,按照上述公式计算出该试件的计算疲劳强度,同时按公劳寿命,按照上述公式计算出该试件的计算疲劳强度,同时按公式计算其应力集中系数式计算其应力集中系数scsc,最后得出试件的设计疲劳强度,最后得出试件的设计疲劳强度00/scsc,从而得出下表所示的分析结果,从表中可以看出,从而得出下表所示的分析结果,从表中可以看出,设计疲劳强度均小于试验疲劳强度,比值在设计疲劳强度均小于试验疲劳强度,比值在0.7-0.90.7-0.9之间,说明之间,说明上述疲劳抗力方程式是安全、合理的。
上述疲劳抗力方程式是安全、合理的。
钢管混凝土管混凝土桥西部西部课题疲疲劳试验模型(西南交通大学)模型(西南交通大学)22管管节点疲劳管管节点疲劳自自预应力力钢管混凝土管混凝土节点疲点疲劳试验模型(重模型(重庆交通大学)交通大学)22管管节点疲劳管管节点疲劳22管管节点疲劳管管节点疲劳疲劳试件的计算与实测疲劳强度疲劳试件的计算与实测疲劳强度课题节点类型试验疲劳寿命N(104)试验疲劳强度(MPa)计算疲劳强度0(MPa)腹杆冠点应力集中系数sc设计疲劳强度0/sc(MPa)设计疲劳强度/试验疲劳强度西南交通大学K26354.4482.161.92842.60.78Y10660.01111.232.6641.80.70K29354.4479.261.92841.10.75重庆交通大学K41647.270.521.68241.90.89从上表所示的分析结果,均小于试验疲劳强度,比值在从上表所示的分析结果,均小于试验疲劳强度,比值在0.7-0.7-0.90.9之间,说明上述疲劳抗力方程式是安全、合理的。
之间,说明上述疲劳抗力方程式是安全、合理的。
33板管节点疲劳试验板管节点疲劳试验试验试验试件主管采用试件主管采用8008002020,管内填充,管内填充C55C55混凝土;支混凝土;支杆采用杆采用310310300H300H型钢,翼缘板厚型钢,翼缘板厚24mm24mm,腹板厚,腹板厚12mm12mm;主管与;主管与支杆交角支杆交角4545,节点板厚,节点板厚10mm10mm,节点板一侧与模拟支杆的工,节点板一侧与模拟支杆的工形杆件翼板用高强度螺栓连接,另一侧与主管焊接,节点板形杆件翼板用高强度螺栓连接,另一侧与主管焊接,节点板在端部采用在端部采用1.661.66倍的宽度放大系数。
倍的宽度放大系数。
3.13.1静载试验静载试验为了解试件受力时的应力分布状态,首先进行静载试验,为了解试件受力时的应力分布状态,首先进行静载试验,采用采用2000KN2000KN液压伺服疲劳试验机加载。
加载时首先预拉到液压伺服疲劳试验机加载。
加载时首先预拉到1000kN1000kN,再回零,重复三次,以消除试验工装安装精度的影,再回零,重复三次,以消除试验工装安装精度的影响。
然后每级荷载加载响。
然后每级荷载加载200kN200kN,逐级加载至,逐级加载至1000kN1000kN,最后每级,最后每级荷载卸载荷载卸载200kN200kN,逐级卸载至,逐级卸载至00。
如此重复。
如此重复33次,试验结果取三次,试验结果取三次测试数据的算术平均值。
次测试数据的算术平均值。
33板管节点疲劳试验板管节点疲劳试验试件照片试件照片垂直于连接焊缝的应力分量垂直于连接焊缝的应力分量分布情况分布情况(MPa)(MPa)33板管节点疲劳试验板管节点疲劳试验3.23.2有限元分析有限元分析为进一步掌握试件的受力特征,根据试件几何尺寸建立有限元模为进一步掌握试件的受
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