钢管混凝土桁式拱桥拱肋节点疲劳寿命研究

Concrete-filled steel tubular (CFST) truss arch bridges have a good prospect of application, K-shaped arch rib joints are mostly adopted in great majority of this kind bridges. Chinese specifications only provide some structural types to prevent fatigue, but no provisions for fatigue checking calculation. With the increasing use of CFST truss arch bridge, fatigue life turns to be an important topic in the field bridge design. In this research, experimental method and numerical simulation method will be adopted. Static loading test and fatigue test will be conducted on 24 CFST arch rib joint and 4 hollow steel tubular joint with K-shaped, general software-MSC.MARC will be used in numerical analysis. Based on this study, stress distribution, stress concentration coefficient and hot spot stress of chord and web member adjacent to intersecting line of K-shaped arch rib will be revealed. The regular of crack initation and growth in fatigue process will be presentd. S-N curves and fatigue calculation method of CFST arch rib joint with common K-shaped, T-shaped, Y-shaped and N-shaped will be proposed.

钢管混凝土桁式拱桥在桥梁工程中具有良好的应用前景，其拱肋节点多为相贯K型节点。在钢管混凝土桁式拱桥拱肋节点疲劳设计方面，国内规范均仅对弦管和腹杆间的连接节点构造形式进行了说明，未有具体的疲劳验算条文。随着钢管混凝土桁式拱桥的大量使用，钢管混凝土拱肋节点的疲劳寿命已成为钢管混凝土拱结构设计中一个重要的课题。本项目采用模型试验与数值分析相结合的研究方法，拟制作24个钢管混凝土K型拱肋节点和4个空钢管K型节点进行静力试验和疲劳试验研究，数值分析部分采用通用有限元软件MSC.MARC进行分析。通过试验及数值分析研究拟揭示钢管混凝土K型拱肋节点相贯线处弦管和腹杆的应力分布、应力集中系数及热点应力；研究钢管混凝土管节点裂纹的产生、发展规律；提出反复荷载下的S-N曲线和疲劳寿命计算方法。并通过有限元参数分析，得到钢管混凝土T型、Y型及N型拱肋节点的S-N曲线和疲劳寿命计算方法。

钢管混凝土拱桥在桥梁工程中还具有良好的应用前景，但钢管混凝土拱桥出现至今仅27年，目前已有部分此类桥梁出现了节点疲劳开裂问题。因此，本项目针对钢管K型节点和钢管混凝土K型节点进行足尺模型试验和有限元参数分析，研究两种K型节点的应力集中系数和S-N曲线，研究结果可为完善我国钢管混凝土拱桥设计规范提供参考。本项目的主要工作和研究结论有：.（1）钢管K型节点和钢管混凝土K型节点足尺模型静力试验与有限元分析结果表明：两种K型节点热点应力位置均出现于主管和受拉支管相贯焊缝靠近主管侧的冠点处。相对于钢管K型节点，主管内充填混凝土，最大应力集中系数可减小30%。.（2）钢管K型节点和钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳试验结果表明：两种K型节点的疲劳裂纹均属于张开型I裂纹，且疲劳裂纹萌生于热点应力最大主管和受拉支管相贯焊缝靠近主管侧的冠点处。相对于钢管K型节点，主管内充填混凝土，疲劳寿命可提高50%以上。.（3）采用MSC.MARC有限元软件进行了钢管K型节点和钢管混凝土K型节点的有限元参数分析，分析结果表明：两种K型节点相贯焊缝应力集中系数均随几何参数主管径厚比、支管与主管壁厚比和支管与主管轴线间夹角增大而增大，而随几何参数支管与主管管径比的增大而减小。.（4）根据试验结果和有限元参数分析结果，分别建立了基于节点刚度的钢管K型节点和钢管混凝土K型节点的应力集中系数计算公式。.（5）基于现有钢管K型节点疲劳设计S-N曲线，结合钢管K型节点和钢管混凝土K型节点疲劳性能试验结果，通过修正现有钢管K型节点疲劳设计S-N曲线得到了适用于桥梁结构中使用的两种节点的疲劳设计S-N曲线。