钢管混凝土拱桥管节点疲劳性能研究

目前，高强度钢材越来越多地运用在钢管结构中，而管节点作为钢管结构的重要传力部位，其受力性能备受关注。由于高强钢强度高，化学成分与普通强度钢材差别较大，使得高强钢管节点的受力性能成为亟待研究的问题，尤其是高强钢管节点疲劳性能的研究，成果非常匮乏，是一个比较新的领域。本项目采用Q460C高强钢，以T型管节点为研究对象，主要研究了高强钢管节点的疲劳性能以及基于连续损伤力学理论的管节点疲劳累积损伤过程的有限元分析方法。主要内容为通过对T型管节点的疲劳性能进行试验研究与理论分析，明确其疲劳破坏机理，了解其疲劳裂纹发展特征。并基于损伤力学理论和钢材疲劳损伤试验，建立了符合管节点疲劳损伤过程的损伤演化模型。在此基础上，对有限元软件ABAQUS进行了二次开发，完成了损伤力学-有限元方法对高强钢管节点疲劳累积损伤过程的全耦合模拟分析，为探索高强钢管节点的疲劳设计方法提供了试验储备和分析手段。通过试验研究和分析对比发现，随着主管厚度的增加，应力幅较小时试验疲劳寿命与规范计算寿命差异变得显著，并依据试验结果初步提出了适用于6mm到10mm壁厚的Q460C高强钢T型管节点的疲劳设计S-N曲线。 2100433B

管节点作为钢管结构的重要传力部位，其受力性能备受关注。目前，随着结构在空间尺度、载荷等方面需求的不断增加，高强度钢材也越来越多地运用在钢管结构中。由于高强钢强度高，化学成分与普通强度钢材差别较大，使得高强钢管节点的受力性能成为亟待研究的问题，尤其是高强钢管节点疲劳性能的研究，成果非常匮乏，是一个比较新的领域。本项目通过对高强钢管节点的疲劳性能进行试验研究与理论分析，明确其疲劳破坏机理和裂纹的萌生及扩展特征，分析热点应力集中状态。并基于连续损伤力学理论和钢材疲劳损伤试验，建立符合高强钢管节点疲劳损伤过程的损伤演化模型和裂纹扩展率公式，提出完整的高强钢管节点疲劳损伤全过程的有限元分析方法。依据试验和数值分析结果，研究和评价不同参数条件对疲劳性能和疲劳寿命的影响规律。为高强钢管节点疲劳寿命预测评估提供合理可行的参考方法，为管节点疲劳设计方法的完善以及相关规范的修订提供可靠的试验依据和理论储备。

铸钢节点形式灵活，受力合理，目前已广泛应用于工程结构中，但关于其疲劳问题的研究还很少。铸钢节点的疲劳问题包含两部分内容：铸钢本身的疲劳和铸钢与钢管连接的环形对接焊缝的疲劳，因为铸钢部分的疲劳强度高于焊缝的疲劳强度，焊缝是整个节点疲劳问题的关键。本项目针对铸钢节点疲劳问题中的关键问题，即环形对接焊缝的疲劳强度试验和热点应力法计算进行研究。 （1）典型环形对接焊缝形式的疲劳试验。 根据国内常用的铸钢节点焊接形式，设计了两种不同的焊接细节进行了小试件疲劳试验。小试件为从铸钢与钢管环形对接构件中截取的一部分带焊缝的弧形试件。两种细节的焊缝试件共试验了21个应力级别的24根试件。根据Miner线性积累损伤准则和最小二乘法，拟合了两种铸钢节点环形对接焊缝的疲劳试验数据，得出两种焊缝细节的S-N曲线和P-S-N曲线。总结出了两种焊接细节的疲劳设计准则表，其中分别给出了两种焊接细节的疲劳极限和寿命曲线，并给出了焊接的具体构造形式及焊接过程中的质量要求。所获得的疲劳强度数据为工程中焊缝抗疲劳设计提供了参考。 试件疲劳断裂的断面分析结果显示，绝大部分试件的疲劳破坏均从焊根位置开始，与传统焊缝在焊趾位置起裂的破坏方式完全不同，这是由于焊缝两边铸钢与钢管的显著的厚度差造成的，这一结果为工程中铸钢节点环形对接焊缝的细节设计提供了参考。 （2）热点应力法在铸钢节点环形对接焊缝疲劳计算中的关键问题研究。 针对五种铸钢节点焊缝细节形式，进行了精细有限元分析，确定所有焊缝细节的应力值最大点均位于焊根处。 通过计算确定了不同焊缝形式的合理计算模型尺寸和合理模型网格尺寸。 基于国际通用的热点应力法和铸钢节点焊缝的有限元分析结果，推导了适用于计算焊根热点应力值的表面外推法和直接计算法。并对两种方法的计算结果进行了比较。 对热点应力法进行了参数分析，结果显示在相同边界条件和加载情况下，五种类型焊缝的焊根热点应力值均随着钢管壁厚和构件半径的减小而增加，并且几乎不随着垫板与焊缝间间隙大小的变化而改变。 计算了不同细节焊缝的焊根热点应力集中系数，并通过试验证明了其有效性。然后与本项目的铸钢节点焊缝疲劳试验结合，得到了两种类型焊缝的焊根热点应力寿命曲线（Shot-N）及其表达式。