方钢管混凝土焊接十字节点的热点应力集中系数分析

涂柳

摘要: 本文在国内和国外学者对钢管混凝土相贯节点已有的研究基础上，通过有限元对方钢管混凝土焊接十字节点几何参数β、γ、τ对方钢管混凝土焊接十字节点SCF大小和SCF沿相贯线分布规律的影响进行了相关研究。

关键词：钢管混凝土组合结构；有限元；SCF

1.引言

钢管混凝土桁架结构在我国最早应用于拱桥中，根据已有调查报告可知，截至2015年，我国在建和已建成跨径在 50m以上的钢管混凝土拱桥已超过400座[1,2]，钢管混凝土桁架节点疲劳开裂的问题也逐渐凸显。福建省某中承式钢管混凝土拱桥1998年建成通车，在2013年日常检测时发现拱肋支管节点处发生明显开裂，整座桥总共发现9条较宽裂纹[3]；广东省某中承式钢管混凝土拱桥[4]在日常检测时发现在大桥主拱圈与斜腹杆节点处发生明显疲劳开裂；2012年建成的干海子大桥在运营使用后仅仅四年时间，在某钢管混凝土格构式桥墩相贯节点处出现了明显疲劳开裂裂纹[5]。由以上案例可知，钢管混凝土拱桥还远未达到设计寿命，但是其桁架节点即已发生疲劳开裂，由此可见目前钢管混凝土桁架节点的疲劳问题已愈发严重，不容忽视。而相比拱桥结构，桁梁桥腹杆内力更大，节点位置更易发生疲劳破坏。实际上目前对于矩形钢管混凝土桁梁桥节点的疲劳性能研究仍不明确，且缺乏准确且标准的计算方法，这也成为制约该类桥型应用的重要因素，因此，迫切需要进一步完善和深化相关试验和理论研究，给矩形钢管混凝土桁架节点疲劳计算方法提供一些参考[6]。

2. 有限元分析

本文采用ANSYS WORKBENCH进行分析。在热点应力分析时，节点材料应力均处于弹性阶段，因此，钢材和混凝土均采用线弹性的应力－应变关系。钢材弹性模量取MPa，泊松比取为0.283；混凝土的弹性模量根据相应标号取值，混凝土弹性模量取为 MPa，泊松比取为0.167。钢管和焊缝赋予相同的钢材特性。

焊缝模拟

钢管混凝土中主管和支管是通过焊接成为一体的，为了更加准确的体现主管与支管之间的刚度突变，在建模过程中应该考虑焊缝对应力集中现象的影响，本文为了简化焊缝的模拟过程，直接使用 DM 中 Chamfer 功能来进行对焊缝的模拟。焊缝几何尺寸参照ＡＷＳ规范中规定取值。

网格划分

为了同时兼顾有限元计算精度和效率的要求，对节点采用分区域划分网格的方法，在焊缝附近的区域由于应力梯度较大，所以网格划分较密，而在远离焊缝的区域应力梯度较小，网格划分稀疏，节点加密区域模型的网格尺寸大小为 0.5t，其中 t 表示主管的壁厚。有限元试件如图1所示。

图1 有限元试件

加载方式和边界条件

在相贯节点模型中，主管的两端不设置任何边界条件。对于支管，荷载是作用于支管的一端，在支管端部施加竖向轴力，另一端支管端部节点其他方向的自由度都被约束住。

3.有限元结果与分析

此次试验采用正交设计法分别对四个对照组进行了试验，探究了主管内有无混凝土的影响以及三个几何无量纲参数管径比β、壁厚比τ、径厚比γ对节点焊缝处应力集中的影响，有限元分析结果如表1所示。

表1 有限元分析结构

编号	无量纲参数			应力集中系数（SCF）
	β	2γ	τ	A	B	C	D	E
RHS	0.455	18.33	1	8.98	11.88	9.98	4.43	3.05
CRHS-1	0.455	18.33	0.67	5.75	5.82	5.33	2.61	3.63
CRHS-2	0.455	18.33	0.83	6.66	6.64	5.82	2.91	3.45
CRHS-3	0.455	18.33	1	7.25	7.96	6.87	3.50	2.76
CRHS-4	0.455	22	1	8.93	10.12	8.84	4.00	3.28
CRHS-5	0.455	15.714	1	4.76	6.13	5.10	2.64	2.43
CRHS-6	0.363	18.33	1	5.15	8.58	7.46	2.91	2.27
CRHS-7	0.545	18.33	1	6.07	5.82	5.45	2.59	2.65

方钢管混凝土十字型管节点在轴向拉力作用下相贯线焊缝周围A~E点SCF如表1所示，可以得到以下结论：

（1）通过分析垂直于焊缝方向的的应力分布规律可判断处这两类节点在支主管交界的角隅处出现了明显的应力集中现象，其中空钢管节点位置的应力集中现象十分显著。钢管混凝土SCF明显小于空钢管节点,这两类节点支管的最大应力集中系数均出现在点A处，主管的最大应力集中系数均出现在点B处。

（2）主管内填充混凝土后，管节点的应力集中程度得到了缓解，主管内混凝土作为主管管壁的支撑 ,提高了节点区域主管管壁的抗弯刚度 ,改善了节点刚度分布 ,减小了节点区域管壁变形,使节点区域应力集中程度减少 ,有更好的抗疲劳性能。

（3）管径比β的影响:对于支管A、E点、D点，SCF随β呈抛物线趋势变化，这三点的SCF都是先增加后减小，对于主管上的B点和C点，这两点的SCF随着β的增加而呈现减小的趋势。

（4）壁厚比τ的影响: A~D点的SCF与τ呈正相关，SCF随着壁厚比τ的增大而增大,其中E点与τ呈正相关，SCF随着厚比τ的增大而减小。

（5）径厚比2γ的影响: A~E的SCF与τ呈正相关，SCF随着径厚比2γ的增大而增大，2γ 的值越大，表明钢管板厚越薄，对应的弯曲变形则越大，SCF 相应越大。

4.结语

（1）空钢管节点的热点SCF明显大于钢管混凝土相贯节点的热点SCF，说明主管内填混凝土后，管节点的应力集中程度得到了明显缓解。

（2）探究了管节点上A~E这五个点随着管径比β、壁厚比τ、径厚比γ变化而出现的一些变化，同时节点支管的最大应力集中系数依旧始终出现在点A处，主管的最大应力集中系数依旧始终出现在点B处。

参考文献：

[1] 陈宝春, 韦建刚, 周俊, et al. 我国钢管混凝土拱桥应用现状与展望[J]. 土木工程学报, 2017, 50(06): 50-61.

[2] Wang Q, Nakamura S, Chen B, et al. Fatigue Damage of a Half-through Concrete-filled Steel Tubular Trussed Arch Bridge in China[J].

[3] 黄汉辉, 陈康明, 吴庆雄, et al. 某中承式钢管混凝土桁式拱肋节点疲劳开裂分析[J]. 工程力学, 2017, 34(S1): 167-173.

[4] 罗凌峰. 上承式钢管混凝土拱桥养护技术与管理对策研究[D]. 重庆交通大学, 2017.

[5] 刘永健, 姜磊, 熊治华, et al. PBL加劲型矩形钢管混凝土受拉节点热点应力集中系数计算方法[J]. 交通运输工程学报, 2017, 17(05): 1-15.

[6] 姜磊. 矩形钢管混凝土桁梁桥节点疲劳性能和计算方法研究[D]. 长安大学, 2019.