波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁桥疲劳性能的学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《交通运输工程学报》2022年第22卷第5期，由福州大学土木工程学院陈康明等作者完成，依托国家重点研发计划（2017YFE0130300）、国家自然科学基金（52078137）及福建省自然科学基金（2019J06009）支持。研究开展了波形钢腹板-钢管混凝土（CSW-CFST）桁式弦杆组合梁和波形钢腹板-钢管（CSW-ST）桁式弦杆组合梁的疲劳性能试验和有限元分析，系统研究了热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式。

作为长期从事钢管制造、焊接工艺与质量控制的技术专家，我特别关注该研究中钢管弦杆的制造工艺、相贯节点焊接质量以及疲劳性能与焊接缺陷之间的关系。该研究的核心价值在于揭示了弦杆内混凝土对组合梁疲劳性能的改善机制，为钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用提供了重要的疲劳设计依据。

钢管弦杆的制造工艺与疲劳性能

钢管弦杆作为组合梁的主要承重构件，其制造质量直接影响结构的疲劳寿命。从钢管制造工艺角度分析，疲劳性能与以下制造因素密切相关：

对于CSW-CFST组合梁的钢管弦杆，推荐采用无缝钢管（GB/T 8163）或直缝埋弧焊管（LSAW，GB/T 9711）。无缝钢管的疲劳性能优于直缝焊管，因为无缝钢管无焊缝缺陷，应力集中系数较低。若采用LSAW管，焊缝区域应进行严格的UT检测，并对焊缝区域进行局部打磨处理以降低应力集中。

相贯节点的焊接工艺与疲劳性能

组合梁中的相贯节点（弦杆与腹板的连接节点）是疲劳裂纹的高发区域。从焊接工程实践角度分析，相贯节点的焊接工艺对疲劳性能有决定性影响：

1. 焊接方法：相贯节点宜采用埋弧焊（SAW）或气体保护焊（GMAW），焊接参数需通过焊接工艺评定确定。推荐采用多层多道焊，控制层间温度在150～250℃之间。
2. 坡口设计：相贯节点应设计合理的坡口角度（60°～75°）和钝边（2～3mm），确保全熔透焊接。坡口边缘应进行打磨处理，消除毛刺和锐边。
3. 焊缝成形：焊缝表面应平滑过渡，避免咬边、焊瘤等缺陷。焊缝余高应控制在1～2mm以内，必要时进行机械打磨。
4. 焊接顺序：相贯节点应采用对称焊接顺序，从中心向两侧施焊，以减少焊接变形和残余应力。
5. 焊后处理：焊接完成后应进行消氢处理（250～300℃，保温2～4小时），必要时进行整体退火处理以消除残余应力。

热点应力的外推方法与焊接缺陷的影响

研究结果表明，采用线性外推方式得到的CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力为二次外推方式所得的1.036倍。从焊接缺陷角度分析，热点应力的计算应考虑以下因素：

• 焊接残余应力：焊接残余应力与外加应力叠加，可能显著增大热点应力。建议在热点应力计算中考虑焊接残余应力的影响，或采用焊后热处理消除残余应力。
• 焊接缺陷：未熔合、气孔、裂纹等焊接缺陷会导致局部应力集中，增大热点应力。建议对关键焊缝进行100%UT检测，确保无缺陷。
• 焊缝几何不连续：焊缝余高、咬边等几何不连续会导致应力集中。建议对焊缝进行机械打磨，确保表面平滑过渡。

研究还指出，弦杆内混凝土能使CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力下降26.8%。从钢管制造角度分析，这一效果得益于混凝土对钢管的约束作用，限制了钢管在循环荷载下的局部变形，从而降低了热点应力。但这一效果的前提是钢管与混凝土之间具有良好的界面粘结，钢管内壁应进行清洁处理（无油污、无氧化皮），必要时进行喷砂除锈处理。

疲劳寿命评价方法与标准对比

研究对比了API（美国石油协会）、CIDECT（国际管结构发展与研究委员会）和DNV（挪威船级社）三种设计标准所得CSW-CFST桁式弦杆组合梁疲劳寿命与试验结果的误差。结果表明，采用DNV所得疲劳寿命与试验结果间的误差最小，不超过26.4%。

从钢管焊接质量控制角度分析，疲劳寿命的计算应基于"无缺陷"假设，即焊缝质量达到标准规定的最高等级。若焊缝存在缺陷（如未熔合、气孔），实际疲劳寿命将显著低于计算值。因此，在实际工程中，应严格按照焊接工艺规程（WPS）执行，加强无损检测（NDT）力度，确保焊接接头的完整性和力学性能满足设计要求。

工程实践建议与总结

该研究为波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁的疲劳设计提供了重要的试验数据和设计方法。在实际工程应用中，建议注意以下几点：

1. 钢管弦杆应优先选用无缝钢管，避免直缝焊缝成为疲劳薄弱环节。若采用直缝焊管，焊缝区域应进行严格的UT检测，并对焊缝区域进行局部打磨处理。
2. 相贯节点应采用全熔透焊，焊缝质量等级应达到GB/T 3323中I级要求。焊缝表面应进行机械打磨，确保平滑过渡，降低应力集中系数。
3. 热点应力计算宜采用线性外推方式，偏于安全。在计算中应考虑焊接残余应力的影响，或采用焊后热处理消除残余应力。
4. 疲劳寿命计算建议采用DNV给出的钢管相贯节点疲劳设计应力（S）-疲劳寿命（N）曲线，其计算结果与试验结果吻合较好。
5. 弦杆内混凝土应确保与钢管之间具有良好的界面粘结，钢管内壁应进行清洁处理，必要时进行喷砂除锈处理。
6. 组合梁制造完成后应进行全面的无损检测，特别是相贯节点焊缝区域，确保无裂纹等表面缺陷。

总体而言，该研究揭示了弦杆内混凝土对组合梁疲劳性能的显著改善作用，为钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用提供了可靠的疲劳设计依据。从钢管制造和焊接技术的角度来看，该研究强调了钢管的制造精度、焊接质量和焊后处理对疲劳性能的决定性作用，对于钢管制造企业、焊接施工单位和桥梁设计单位具有重要的工程指导意义。该研究推动了钢管混凝土结构在交通运输领域的应用发展，对于提升我国桥梁工程的技术水平和结构安全具有重要的学术和工程参考价值。