圓管混凝土T 型焊接節(jié)點熱點應力試驗研究

童樂為,王 柯,2,史煒洲,3,陳以一

(1.同濟大學 建筑工程系,上海200092;2.香港大學土木工程系,香港;3.上海建筑設計研究院有限公司,上海200041)

圓管桁架具有優(yōu)良的結構性能和柔和明快的外觀,在國內外的土木、建筑、海洋、機械等結構中得到普遍應用.在圓管桁架的主管里填充混凝土是一種新型的鋼-混組合結構,可顯著提高圓管桁架整體的承載能力.近年來我國已越來越多地將其應用于大跨度桁式拱橋,包括跨度為460 m的巫峽長江公路大橋[1].除此之外,類似這種形式的組合結構也已在海洋固定平臺結構、高聳結構中應用.最近正在建造的610m廣州新電視塔采用了圓管混凝土柱,斜撐、水平環(huán)梁采用圓管,并與圓管混凝土柱直接焊接[2].另外,僅在節(jié)點區(qū)域的主管內填充混凝土,也可作為加強節(jié)點剛度、強度的措施.

通常在圓管桁架的桿件交匯處將支管直接焊接到主管上,形成所謂的相貫節(jié)點.由于在節(jié)點處焊接了多根桿件,使得節(jié)點空間幾何形狀發(fā)生變化,剛度分布不均,應力集中,受力性能復雜,因此節(jié)點強度是圓管桁架設計中的一個重要問題.近20多年來,關于節(jié)點靜力強度和疲勞強度,國內外都取得了豐碩的研究成果,針對一些常用的節(jié)點型式提出了強度設計方法和計算公式.國際鋼管結構發(fā)展與研究委員會(CIDECT)還出版了一系列技術指南[3].其中,針對鋼管節(jié)點疲勞設計,提出了基于熱點應力概念的評估準則,包括獲得熱點應力的方法和一些節(jié)點型式的應力集中系數(shù)的計算公式.

關于主管內填充混凝土的鋼管焊接節(jié)點的靜力性能,我國學者周緒紅[4]和日本學者Y.Sakai[5]等進行了一系列研究,分析了節(jié)點的破壞模式和機理.但對鋼管混凝土焊接節(jié)點疲勞性能,目前還缺乏了解.掌握節(jié)點疲勞性能及疲勞強度首先要了解節(jié)點的應力分布特性.本文以最基本的T型節(jié)點為對象,沿襲應用空心圓管焊接節(jié)點熱點應力的基本理論和方法,試驗研究圓管支管-圓管混凝土主管焊接節(jié)點分別在支管軸力和平面彎矩作用下的熱點應力及其應力集中系數(shù).

1 試驗方案

1.1 節(jié)點試件設計

圖1為所設計的T型節(jié)點試件,支管為圓管,主管為圓管混凝土,稱為圓管混凝土(concrete filled circular ho llow section,CFCHS)節(jié)點 ,共 10 個.為了直接比較有混凝土與無混凝土的差異,補充了圓管(circular hollow section,CHS)節(jié)點試件.表1列出了所有節(jié)點試件的幾何參數(shù),圓管材料均為Q345B.為避免節(jié)點區(qū)域受支管加載端及主管兩端支座的影響,支管和主管長度分別設計成各自管徑的3倍和6倍.圓管混凝土節(jié)點考慮了不同的幾何參數(shù)β,γ,τ以及混凝土標號的影響,可做直觀的比較.圓管節(jié)點 CHS幾何參數(shù)與圓管混凝土節(jié)點CFCHS-1,CFCHS-6,CFCHS-7一致.支管與主管的連接按照有關規(guī)程采用全熔透坡口對接焊縫[6].主管一端封閉,另一端澆灌混凝土后用端板封閉,混凝土按照常規(guī)施工方式進行澆搗.

試件在主管兩端簡支,試驗時通過豎向和水平千斤頂對支管端部施加3種荷載工況,分別是軸向壓力、拉力和平面彎矩.依據(jù)事先估算,加載時控制鋼管和混凝土工作在彈性范圍.

圖1 節(jié)點試件及加載裝置Fig.1 Specim en and loading equ ipm ent

表1 試件幾何尺寸Tab.1 Specimen sizes

1.2 節(jié)點熱點應力測試方法

管結構構件中的應力在節(jié)點處因應力集中效應而增大,成為所謂的熱點應力(hot spot stress).國際上定義管節(jié)點的熱點應力為由節(jié)點幾何形狀引起的,在焊趾位置的最大幾何應力,排除由于施焊不確定因素(焊縫幾何形狀和缺陷等)而引起的應力局部增加.以相貫焊縫為界,兩側均有支管的熱點應力和主管的熱點應力.為了排除焊縫的影響,CIDECT指南提出了有關圓管節(jié)點獲得熱點應力的外推方法及其外推區(qū)域(圖2)[3].以往研究表明,圓管節(jié)點在相貫線的冠點或者鞍點處,熱點應力較大.本文按照CIDECT指南的規(guī)則,在主管、支管的這些鞍點(圖3中的 90°,270°位置)、冠點(圖 3中的 0°,180°位置)布置了外推測量線,即主管上的G1～G4和支管上的G5～G8.另外,為了考察填充了混凝土后是否在冠點與鞍點之間還存在較大的熱點應力,CFCHS-1和CFCHS-2兩個試件在G1與G2之間、G5與G6之間也分別等間距地(每隔22.5°)布置了3條外推測量線.每條外推線,實際上是一個特制的單向應變片串,由間隔2mm并在同一軸線上互相平行的4個應變片組成,可測量應力的梯度變化,并外推得到主管、支管在焊趾處的熱點應力.CIDECT指南指出,對于圓鋼管節(jié)點可將試驗中測得的應變乘上系數(shù)1.2轉換為應力[3],本文采用同樣方法將應變轉換為應力.

圖2 圓管節(jié)點的熱點應力外推方法Fig.2 Extrapolation method for hot spot stress

圖3 試件外推測量線布置Fig.3 Layout of extrapolation m easurem ent lines

2 試驗結果與分析

采用應力集中系數(shù) SCF(stress concentration factor,為熱點應力σhs/支管名義應力σn),易于反映節(jié)點處不均勻分布的熱點應力特性以及應力集中程度,便于設計應用.因此,本文的熱點應力測試結果都用SCF來體現(xiàn).

2.1 熱點應力不同外推方法的結果比較

CIDECT指南提出的熱點應力外推方法有一次(線性)外推和二次(非線性)外推兩種.通常認為兩種外推結果的差別在15%以內,可采用一次外推,否則,非線性程度較高,應采用二次外推.以往的研究表明,圓管節(jié)點適用一次外推的方法,而方管節(jié)點在菱角處由于應力集中程度高,需采用二次外推的方法[3,7].圖4為所有圓管混凝土節(jié)點CFCHS在支管拉、壓、彎3種受力狀況下采用兩種外推方法測得的熱點應力集中系數(shù)SCF,比較發(fā)現(xiàn)在主管和支管上,二次外推的SCF比一次外推的分別大6%和25%.這說明就本文研究的圓管混凝土節(jié)點而言,主管可采用一次外推,而支管需采用二次外推.為此,文后所涉及的SCF值,都是來源于這樣的外推處理.

圖4 一次與二次外推的SCF結果比較Fig.4 SCF com parison betw een linear and quadratic extrapolation

2.2 節(jié)點應力集中系數(shù)SCF分布特性

鋼管節(jié)點CHS在主管填充混凝土形成鋼管混凝土節(jié)點CFCHS后,節(jié)點應力集中系數(shù)SCF在某些方面維持原有特性,在某些方面發(fā)生了變化.圖5～8分別為CHS,CFCHS-1,CFCHS-4和CFCHS-10節(jié)點在軸向受力和平面受彎工況下,沿相貫線在主管側和支管側的SCF分布圖.圖中:公式表示來源于CIDECT指南有關鋼管T型節(jié)點SCF公式的計算值;試驗表示來源于本文的試驗值;Com表示受壓;Ten表示受拉.圖5～8中橫坐標的角度位置參見圖3,360°位置的SCF即為0°位置的重復.

2.2.1 鋼管節(jié)點CHS

由圖5可見,就試驗的鋼管節(jié)點而言,無論是軸向受力還是平面受彎,CIDECT指南的鋼管T型節(jié)點SCF公式計算值總體上比試驗值大些,能較好地預測鋼管節(jié)點在主管側和支管側的應力集中系數(shù)及其變化.SCF值受軸力時大,受平面彎矩時小;相同受力條件下在主管上大,支管上小.軸向受力時受拉與受壓相比,受彎時受拉側(圖3中的0°)與受壓側(圖3中的180°)相比,并沒有反映出SCF在拉、壓上的顯著差別,因此CIDECT指南的SCF計算公式并不區(qū)分拉與壓的受力條件.受彎工況時,SCF在冠點處(即0°或180°,此處遠離中和軸)達到最大;軸向受力時,SCF在鞍點(即90°或270°)達到最大.

2.2.2 鋼管混凝土節(jié)點CFCHS

限于篇幅,本文僅給 CFCHS-1,CFCHS-4,CFCHS-10這3個有代表性節(jié)點的SCF分布,見圖6～8.相比鋼管節(jié)點,絕大多數(shù)鋼管混凝土節(jié)點的SCF減小,沿相貫線分布趨于均勻,尤其在軸向受力的工況下表現(xiàn)得格外突出(作為比較,圖中SCF公式計算曲線是把鋼管混凝土節(jié)點視作無混凝土的鋼管節(jié)點而得到的).只有極少數(shù)鋼管混凝土節(jié)點的SCF比鋼管節(jié)點略微大些或者接近(如圖8a).

圖5 CHS沿節(jié)點相貫線的SCF分布Fig.5 SCF distribution s along CHS join t

圖6 CFCHS 1沿節(jié)點相貫線的SCF分布Fig.6 SCF distributions along CFCHS 1 joint

在軸力工況下,SCF分布中最大值位置與鋼管節(jié)點有所不同,通常出現(xiàn)在冠點(即0°或 180°);主管上的SCF比支管上大.以每個試件中最大的SCF值為對象,測得鋼管混凝土節(jié)點的SCF在 2.72～12.50之間,而當它們?yōu)殇摴芄?jié)點時,計算的SCF在8.14～15.28之間.軸拉的 SCF明顯比軸壓大,前者比后者大12%～72%.

在彎矩工況下,SCF分布中最大值位置仍與鋼管節(jié)點相同,出現(xiàn)在遠離中和軸的冠點位置(即0°或180°);主管上的SCF與支管上的接近.以每個試件中最大的SCF值為對象,測得鋼管混凝土節(jié)點的SCF在1.27～3.19之間,而當它們?yōu)殇摴芄?jié)點時,計算的SCF在2.80～4.40之間.與軸向受力不同,彎矩受拉側的SCF沒有反映出總是比受壓側大的現(xiàn)象.

節(jié)點的熱點應力及其SCF分布與節(jié)點的剛度分布密切相關,主管內填充混凝土后改變了原鋼管節(jié)點的剛度分布,因此CFCHS節(jié)點與CHS節(jié)點在SCF最大值位置和數(shù)值上有所差異.由于混凝土使節(jié)點剛度趨于均勻,故CFCHS節(jié)點比CHS節(jié)點總體上具有更低的應力集中系數(shù).

圖7 CFCHS 4沿節(jié)點相貫線的SCF分布Fig.7 SCF distributions along CFCHS 4 joint

圖6和圖8的實測數(shù)據(jù)反映在鞍點(270°)～冠點(360°)范圍內(參見圖3),雖然有可能存在比鞍點的或冠點的SCF大的點,但是大多數(shù)還是鞍點或冠點的SCF大.因此,為便于測試以及疲勞評估,鋼管混凝土節(jié)點還是可像鋼管節(jié)點那樣僅關注鞍點或冠點的熱點應力.

圖8 CFCHS 10沿節(jié)點相貫線的SCF分布Fig.8 SCF distribu tions along CFCHS 10 join t

支管軸向受拉的SCF大于受壓的SCF現(xiàn)象,其機理在于受拉時主管管壁與內填的混凝土有脫開的趨勢(圖9),使得管壁局部變形和應力增大.然而,在支管受彎時,由于受拉側區(qū)域較小,同時試驗時彎矩作用不大,致使受拉側SCF未表現(xiàn)出總是大于受壓側的現(xiàn)象.

圖9 CFCHS節(jié)點的變形特點Fig.9 Deformation feature o f CFCHS joint

圖10和圖11分別為在支管軸力和彎矩作用下,幾何參數(shù)β,τ,γ和混凝土強度標號對鋼管混凝土主管(圖 10涉及鞍點和冠點,圖 11僅為冠點)的 SCF影響效應.考察 β,τ,γ和混凝土標號這4個參數(shù)的影響,都是在其中3個參數(shù)不變、另1個參數(shù)獨立變化的情況下進行的.由圖可見,雖然鋼管混凝土節(jié)點主管上的SCF絕大多數(shù)都顯著地小于鋼管節(jié)點主管上的SCF(圖中鋼管節(jié)點的SCF是按無混凝土鋼管節(jié)點SCF計算公式得到),SCF受幾何參數(shù)影響的變化規(guī)律與鋼管節(jié)點基本一致.混凝土強度標號的變化對SCF影響不顯著可不予考慮.

圖10 受軸力時幾何參數(shù)和混凝土對主管的SCF影響Fig.10 Effect of geom etric param eters and concrete on SCF un der axia l loading

由于篇幅限制,本文未給出在支管軸力和彎矩作用下,幾何參數(shù) β,τ,γ對鋼管混凝土支管上 SCF的影響效應圖,但是,從測試的數(shù)據(jù)看,沒有呈現(xiàn)出與鋼管節(jié)點類似的變化規(guī)律.

圖11 受彎矩時幾何參數(shù)和混凝土對主管冠點的SCF影響Fig.11 Effect of geom etric param eters and concrete on SCF under bending

3 結論

根據(jù)有關主管內填充混凝土的圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點在支管軸拉、軸壓、平面彎矩作用下的熱點應力試驗,可得到以下結論:

(1)圓鋼管混凝土節(jié)點可參照圓鋼管節(jié)點熱點應力外推方法獲得熱點應力,對主管上的熱點應力可采用線性的一次外推,對支管上的熱點應力需采用非線性的二次外推.

(2)圓鋼管混凝土節(jié)點仍像圓鋼管節(jié)點那樣,鞍點或冠點位置的熱點應力比鞍點與冠點之間的熱點應力大,鞍點、冠點是圓鋼管混凝土節(jié)點疲勞評估時的關鍵位置.

(3)圓鋼管混凝土節(jié)點的熱點應力集中系數(shù)SCF比相同幾何參數(shù)的圓鋼管節(jié)點的SCF顯著減小,熱點應力分布變得均勻一些,這些特點在支管受軸力工況下尤其突出.

(4)在支管受軸力工況下,通常在圓鋼管混凝土節(jié)點處主管的SCF比支管的SCF大;最大熱點應力位置在冠點,然而,相同幾何參數(shù)的圓鋼管節(jié)點最大熱點應力位置在鞍點.在支管受彎矩工況下,圓鋼管混凝土節(jié)點主管的SCF與支管的SCF大小接近;最大熱點應力位置與相同幾何參數(shù)的圓鋼管節(jié)點一樣,發(fā)生在冠點.

(5)圓鋼管混凝土節(jié)點,支管軸拉較軸壓更為不利,SCF明顯比支管軸壓時大.此現(xiàn)象歸結為受拉時主管管壁與混凝土有脫開的趨勢,主管變形增大,傳力不均.但是,在支管平面受彎時,受拉側SCF未必總是比受壓側大,可能是受拉側區(qū)域偏小.

(6)量綱為一幾何參數(shù)對圓鋼管混凝土節(jié)點在主管上的SCF影響效應與圓鋼管節(jié)點基本一致.

(7)主管內填充的混凝土,其自身強度標號的高低變化沒有顯著地影響圓鋼管節(jié)點的SCF.混凝土的作用主要是顯著地改善了圓鋼管在節(jié)點處的剛度分布,從而有效地降低了應力集中系數(shù),這樣的效應必然有助于提高圓鋼管節(jié)點的疲勞強度.

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