提高钢管混凝土相贯焊接节点疲劳强度的设计方法与流程

本发明涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种提高钢管混凝土相贯焊接节点疲劳强度的设计方法。

背景技术：

钢管混凝土结构凭借其优良的力学性能和施工方便、快捷的特点而广泛应用于桥梁工程中。早期，钢管混凝土结构主要以柱和桁架的形式出现，其多用于受压结构，如桥墩、桥塔、以及主拱。随着材料性能的不断提升以及施工工艺的发展，钢管混凝土结构开始应用于受力形式更为复杂的主梁结构。随着经济发展，中国公路交通量日益加大，重载交通下，钢管混凝土桁梁桥主弦管及腹管时时处于高应力幅状态，焊接节点疲劳开裂问题日益突出，节点疲劳问题常常成为设计的控制因素，直接关乎行车安全和桥梁使用寿命。

钢管混凝土桁梁桥的疲劳寿命是桥梁运营的关键点，疲劳寿命的长短一定程度上决定了桥梁的使用寿命。然而公路桥梁车辆行驶车道不固定，疲劳车辆的组成难以把握，相贯焊接节点的应力幅无法确定，因此提高钢管混凝土桁梁桥受拉相贯焊接节点疲劳强度十分必要。目前为了提高钢管混凝土桁梁桥的疲劳强度，主要采用的办法是加强节点连接设计，在新建桥梁焊接节点之间增设加劲板或者改用螺栓连接，连接形式复杂、节点计算难度大、工程造价高，从设计、加工到安装都十分困难，没有一个简易可行的设计方法可循。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的提高钢管混凝土相贯焊接节点疲劳强度的设计方法，具有连接形式复杂、节点计算难度大、工程造价高、施工困难等不足，提供一种提高钢管混凝土相贯焊接节点疲劳强度的设计方法，该设计方法能有效提高相贯焊接节点疲劳强度，延长节点疲劳寿命，且结构形式简单，加工制造效率高，施工方便。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种提高钢管混凝土相贯焊接节点疲劳强度的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：往主弦管、受拉腹管和受压腹管内灌注混凝土，提高结构整体刚度。由于管内混凝土的填充，腹管对主弦管作用的径向力引起的节点局部变形减小了，使得相贯焊接节点的热点应力幅大幅降低。

在钢管内灌注混凝土，可以提高桁梁桥整体刚度，减少各节点因变形过大引起的附加内力，减少个别节点出现疲劳裂纹对整体结构的影响。通常腹管所受轴力传递至主弦管，对主弦管可分解为轴向力和径向力，并以径向力为主。由于主弦管管壁较薄(径厚比较大)，很容易受径向力作用发生较大局部变形。经模型计算分析及试验比较，相同几何参数的空钢管和钢管混凝土受拉相贯焊接节点，在相同的外力作用下，钢管混凝土受拉相贯焊接节点热点应力幅大幅减少，表明管内灌注混凝土可以有效减小局部变形，降低热点应力幅。基于钢管混凝土s-n曲线结构疲劳强度评估方法，热点应力幅的降低可延长焊接节点疲劳寿命。

步骤二：采用以下方法处理所述主弦管和受拉腹管的相贯焊接节点，将相贯焊缝分为四个区域：趾部区、跟部区以及两个过渡区。在趾部区采用全熔透焊焊缝连接主弦管与受拉腹管，在跟部区采用部分熔透焊焊缝连接主弦管与受拉腹管，过渡区则为全熔透焊到部分熔透焊的过渡段，从而提高了焊接效率。

根据模型计算、试验分析、实桥测试，总结了受拉相贯焊接节点受力分布规律。受拉相贯焊缝趾部区域应力幅最大，其次为过渡区，跟部区域应力幅最小，从而提出分区域采用不同的焊接形式，降低了整条焊缝全熔透焊接的难度，提高了功效，节约了成本。

步骤三：采用以下方法对所述主弦管和受拉腹管的相贯焊接节点进行修磨，包括对所述趾部区、过渡区的焊缝外观进行修磨，焊缝修磨区域的圆心角大于或等于270°，使得焊缝表面光滑；以及对主弦管、受拉腹管上与焊缝相临的热影响区进行修磨，使得热影响区域顺适、圆滑过渡。通过修磨减少焊缝及两侧热影响区由于焊接高温和快速冷却等影响造成的气孔、夹杂、微裂纹等，有效延长了相贯焊接节点的开裂寿命。通过修磨使得焊缝与其相临的热影响区顺适、圆滑过渡，避免应力集中，降低热点应力幅，延长焊接节点疲劳寿命。本文中的顺适一词的含义是：由于相贯焊缝一周主受力方向不一样，修磨方向应顺着修磨位置的主受力方向进行。

根据模型计算、试验分析、实桥测试，研究结果表明，受拉相贯焊接节点应力幅较大区域集中在趾部区，故修磨区域以趾部区中心为起点，对称向两边过渡区延伸的约270°范围即可，不需要修磨全部焊缝，减少修磨工作量，节约人工成本。研究结果表明，在钢管混凝土受拉相贯焊接节点趾部区域内，焊缝与主弦管连接侧热影响区内的应力幅最大，故修磨区域一定应该包括上述部分，而不仅仅是焊缝本身。相贯焊接节点疲劳试验表明，经过修磨的相贯焊缝与未修磨的相比，可以延缓疲劳开裂；经过修磨的相贯焊缝与未修磨的相比，疲劳开裂后，裂纹开展速度极为缓慢，剩余疲劳寿命大大提高。试验结果为提高钢管混凝土相贯焊接节点疲劳强度的设计方法提供了可靠依据，从设计阶段提高了新建桁梁桥的疲劳寿命，也为已建桥梁出现疲劳问题时现场处理，剩余寿命的判断提供可靠依据。

优选的，所述步骤一中，往所述主弦管、受拉腹管和受压腹管内灌注混凝土时，保证混凝土的灌注度，满足管内混凝土脱空要求，管内混凝土球冠型脱空率小于或等于0.6％，且脱空高度小于或等于5mm。

优选的，所述步骤一中，在灌注混凝土之前，在所述主弦管的内壁径向焊接三个带孔加劲肋板，三个所述带孔加劲肋板位于腹管和所述主弦管的相贯线区域。在易于变形位置焊接带孔加劲肋板，带孔加劲肋和管内混凝土相结合，可以共同提高节点与桁梁桥整体刚度，减少各节点因变形过大引起的附加内力，降低个别节点出现疲劳裂纹对整体结构的影响。同时，带孔加劲肋板进一步增加了钢管与内填混凝土的整体性，使混凝土的填充作用增强。优选的，其中一个所述带孔加劲肋板位于所述主弦管的断面中部，另外两个所述带孔加劲肋板则对称设置在其两侧。

优选的，所述步骤二中，主弦管和受拉腹管的相贯线坡口采用相贯线切割机切割成型，所述受拉腹管、受压腹管相贯线焊接接头跟部间隙小于或等于6mm。

优选的，所述步骤二中，部分熔透焊的熔透率要求大于或等于80％，以保证足够的连接强度。

优选的，所述步骤三中，对所述趾部区、过渡区的焊缝进行修磨时，最大修磨深度小于或等于1.5mm，修磨完成后，所述焊缝的余高为-0.5mm～3mm。最大修磨深度不宜过大，修磨深度过大会破坏焊缝结构，影响连接强度。而将焊缝余高控制在3mm以内，可以有效降低焊缝的应力集中，并避免因焊缝余高内存在的初始缺陷而过早产生疲劳裂纹。

优选的，所述步骤三中，对所述主弦管和受拉腹管的热影响区进行修磨时，最大修磨深度小于或等于0.5mm。对所述主弦管和受拉腹管的修磨深度不宜过大，修磨深度过大会影响钢管的结构强度。

优选的，所述步骤三中，一般来说，所述热影响区的圆滑过渡的曲线半径大于或等于100mm，在特殊情况下，所述曲线半径的大小也可根据所述主弦管和受拉腹管之间夹角的大小，进行适当的调整，以保证所述主弦管、所述受拉腹管均与所述焊缝圆滑过渡，从而减小焊缝与钢管连接处的应力集中。

优选的，所述步骤三中，修磨区域的圆心角为以趾部区中心为起点，向两边过渡区延伸的一定角度范围，一般来说，修磨的区域包括所述焊缝的趾部区和两个过渡区，并以趾部区中心为起点，向两边过渡区延伸的约270°范围内，使所述区域内焊缝自身光滑，以减少焊缝处的应力集中，所述区域内主弦管和受拉腹管均与所述区域内的焊缝圆滑过渡，此时，所述主弦管和所述受拉腹管的圆弧形过渡段位于所述趾部区以及过渡区附近(具体的位置可选取为焊缝两侧1cm范围内)。

优选的，修磨完成后用吹风机或洁净的毛巾将表面清理干净，对修磨外观成型进行检查，判断修磨后的热影响区是否圆滑过渡，焊缝有没有明显的凹槽等。修磨的外观检查合格后，再采用超声波100％探伤进行内部检查，检查无任何缺陷后，判定修磨合格。

优选的，对修磨合格的所述焊缝和热影响区的表面进行防腐处理，对焊缝和过渡段进行保护。涂层外观质量应平整、均匀一致，无漏涂、气泡、裂纹、气孔等现象，允许有轻微桔皮和局部轻微流挂。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过对主弦管及腹管内灌注混凝土来提高钢管混凝土桁梁桥的整体刚度，相较于空心管或只对主弦管灌注混凝土的焊接节点，其热点疲劳应力幅大大降低，有利于延长钢管混凝土桁梁桥的使用寿命，经济效益十分显著。进一步的，通过在主弦管内焊接带孔加劲肋板，和管内灌注的混凝土相结合，进一步提高了节点刚度，且增加了钢管与内填混凝土的整体性，使混凝土的填充作用增强。

本发明针对钢管混凝土桁梁桥相贯焊缝的应力幅分布特点，基于钢管混凝土s-n曲线，分区采用不同方式进行焊接，对应力幅较大的趾部区采用全熔透焊接，对应力幅较小的跟部区采用部分熔透焊接，过渡区为全熔透焊接到部分熔透焊接的过渡，既满足焊缝受力要求，又降低跟部焊接难度，提高焊接效率。

本发明针对钢管混凝土桁梁桥相贯焊缝的应力幅分布特点，有针对性地对钢管混凝土桁梁桥主弦管和受拉腹管连接处的焊缝及焊缝两侧的热影响区进行修磨。修磨对象不仅是焊缝本身，还包括焊缝两侧连接的钢管，使焊缝与钢管顺适、圆滑过渡，修磨区域包含趾部区及过渡区的270°圆心角范围。有针对性地修磨提高了修磨效率，并有效降低焊接节点应力集中，提高受拉相贯焊接节点疲劳强度，延长桁梁桥使用寿命，经济效益尤为显著。

本发明不仅适用于新建桥梁的焊缝修磨(预防裂纹)，同样适用于运营期桥梁的焊缝修磨(延缓裂纹的发展)。

本发明所述的设计方法思路明确、施工方便、可操作性强、工作量小、需要人力和机具少、成本较低、效率高、经济效益显著，在技术上的创新和经验，对丰富和发展钢管混凝土桁梁桥及类似桥梁起到了积极的作用，促进了钢管混凝土桁梁桥的技术进步。

附图说明：

图1是本发明所述的钢管混凝土桁梁桥的结构示意图。

图2是图1中的a-a剖视图。

图3是图1中的b-b剖视图。

图4是图1中的c-c剖视图。

图5是本发明所述的钢管混凝土桁梁桥的中断面图。

图6是图5中的d-d剖视图。

图7是本发明所述的裂纹长度与对应的疲劳加载次数的关系图。

图中标记：1-主弦管，2-受拉腹管，3-混凝土，4-趾部区，5-跟部区，6-过渡区，7-受压腹管，8-全熔透焊焊缝，9-部分熔透焊焊缝，10-带孔加劲肋板。

具体实施方式

下面结合试验实例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种提高钢管混凝土相贯焊接节点疲劳强度的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：如图1所示，往钢管混凝土桁梁桥主弦管1、受拉腹管2和受压腹管7内灌注自密实混凝土3，灌注方向由低到高，直至出浆孔内冒出等浓度混凝土为止，保证灌注的密实度，必要时，辅以振捣棒。在钢管内灌注混凝土3，可以提高桁梁桥整体刚度，减少各节点因变形过大引起的附加内力，减少个别节点出现疲劳裂纹对整体结构的影响。

优选的，如图5-图6所示，在灌注混凝土3之前，在所述主弦管1的内壁径向焊接三个带孔加劲肋板10，三个所述带孔加劲肋板10位于腹管和所述主弦管1的相贯线区域，其中一个所述带孔加劲肋10位于所述主弦管1的断面中部，另外两个所述带孔加劲肋板10则对称设置在其两侧。在易于变形位置焊接带孔加劲肋板10，可以提高节点与桁梁桥整体刚度，减少各节点因变形过大引起的附加内力，降低个别节点出现疲劳裂纹对整体结构的影响。同时，带孔加劲肋板10进一步增加了钢管与内填混凝土的整体性，使混凝土3的填充作用增强。

步骤二：如图1所示，在钢管混凝土桁梁桥的建造或运营过程中，根据其受力特点，确定受压腹管7和受拉腹管2。理论分析、试验及实桥测试均表明，受拉腹管2与主弦管1连接处的焊缝质量对钢管混凝土桁梁桥疲劳性能影响极大，而受压腹管7与主弦管1连接处的焊缝质量对钢管混凝土桁梁桥疲劳性能影响不大，因此，在进行修磨之前，需先根据桁梁桥的受力特点判断腹管受压或受拉，一般来说相邻的两根腹管，一根受拉，一根受压，受拉腹管2需要按照要求进行精细修磨，而受压腹管7只需根据规范的焊接质量要求进行焊接及检测。

接着，采用相贯线切割机切割坡口，所述受拉腹管2、受压腹管7相贯线焊接接头跟部间隙应控制在6mm以内。

并采用以下方法处理所述主弦管1和受拉腹管2的相贯焊接节点，如图2图4所示，主弦管1和受拉腹管2连接处会形成一条封闭的相贯线，在相贯线处进行焊接，从而形成了焊缝。所述焊缝包括趾部区4、跟部区5和位于二者之间的两个过渡区6，在趾部区4采用全熔透焊焊缝8连接主弦管1与受拉腹管2，在跟部区5采用部分熔透焊焊缝9连接主弦管1与受拉腹管2，过渡区6则为全熔透焊到部分熔透焊的过渡段，部分熔透焊的熔透率要求大于或等于80％。

步骤三：采用以下方法对所述主弦管1和受拉腹管2的相贯焊接节点进行修磨，包括两个方面，一是对所述趾部区4、过渡区6的焊缝外观进行修磨，焊缝修磨区域的圆心角大于或等于270°，使得焊缝表面光滑；二是对主弦管1、受拉腹管2上与焊缝相临的热影响区进行修磨，使得热影响区顺适、圆滑过渡。

具体的：对所述趾部区4、过渡区6的焊缝进行修磨时，所述修磨区域的圆心角为以趾部区4中心为起点，向两边过渡区6延伸的约270°的角度范围，且焊缝的最大修磨深度小于或等于1.5mm，修磨完成后，所述焊缝的余高为-0.5mm～3mm，从而消除焊缝上的初始缺陷，特别是降低焊缝的余高，减少焊缝处的应力集中。

对所述主弦管1和所述受拉腹管2的热影响区进行修磨时，最大修磨深度小于或等于0.5mm，且所述热影响区的圆滑过渡的曲线半径大于或等于100mm，减少应力集中。

需要说明的是，在本步骤中，焊缝的修磨区域可以仅包括趾部区4、过渡区6，只要修磨区域的圆心角大于或等于270。即可，但是如果保守地将焊缝的修磨区域扩大到整条焊缝也可，仍属于本发明的保护范围。

一般来说，当修磨趾部区4和两个过渡区6时，本步骤中所述热影响区的修磨位置，需包括与修磨后的趾部区4以及两个过渡区6相连接的区域(比如趾部区4两侧的1cm范围内以及两个过渡区6两侧的1cm范围内)；

当对整条焊缝进行修磨时，本步骤中所述热影响区的修磨位置，为与修磨后的整条焊缝相连接的区域(比如整条焊缝两侧的1cm范围内)。

步骤四：修磨完成后，对修磨质量进行外部检查和内部检查，判断修磨是否合格，如果检查结果为不合格则重新进行修磨。修磨完成后用吹风机或者洁净的毛巾将表面清理干净，对修磨外观成型进行检查，判断修磨后的热影响区是否圆滑过渡，且焊缝有没有明显的凹槽。修磨的外观检查合格后，再采用超声波100％探伤检查，检查无任何缺陷后，判定修磨合格。

步骤五：对修磨完成后的焊缝和热影响区表面进行防腐处理。

为了验证本发明所述的焊缝修磨方法是否有效，在实验室中进行了管混凝土桁梁桥焊接节点缩尺模型的疲劳加载试验，其中，焊接节点上5#和10#裂纹出现后，未进行修磨，而焊接节点上相临区域内出现6#、7#、8#和9#裂纹后，按照本发明所述的修磨方法进行了修磨，等同于5#和10#在未修磨区域，6#、7#、8#和9#在修磨区域。试验结果如下表1和图7所示，从试验结果可以看出，在相同的疲劳加载次数下，钢管混凝土修磨区域的裂纹长度和裂纹发展速度远远小于未进行修磨区域内的裂纹。对主弦管和受拉腹管趾部区、过渡区连接处的焊缝及两侧热影响区进行修磨，提高了钢管混凝土桁梁桥的疲劳性能，延长了桁梁桥的疲劳寿命，改善了桥梁的耐久性和提高通行能力，桁梁桥的使用寿命也因此大幅提升。

表1裂纹长度与对应的疲劳加载次数

需要说明的是，本说明书所提到的进行修磨的钢管包括主弦管1和受拉腹管2，仅对二者连接部位的焊缝的趾部区、过渡区以及两侧的热影响区进行修磨就可以实现本发明的发明目的，大大提高钢管混凝土桁梁桥的疲劳强度。当然，若是在人力和工期充足的情况下，除上述修磨区域，也对主弦管1和受拉腹管2连接处跟部区进行修磨，主弦管1和受压腹管7连接处进行修磨，或者对腹杆和上弦杆连接处进行修磨，其修磨后实现在焊缝连接区域顺适、圆滑过渡，其主要目的也是提高桁梁桥的疲劳强度，那么应属于对发明进行的简易变换，是本领域技术人员容易想到的，也应涵盖在本发明的权利要求保护范围中。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。