有初应力的钢管混凝土桁式拱结构平面内受力性能试验研究的学习体会

文献概况与试验设计

本文发表于《公路交通科技》2020年第37卷第1期，由福州市规划设计研究院肖泽荣完成。研究针对初应力对大跨度钢管混凝土桁式拱桥受力性能的影响，进行了有初应力的钢管混凝土桁拱平面内受力性能试验。作为钢管焊接与结构成型领域的技术人员，我重点关注了桁拱中钢管弦杆和腹杆的焊接接头在初应力作用下的性能退化问题。

钢管混凝土桁拱的结构特点与焊接工艺

桁式拱结构由弦管（上弦、下弦）和腹杆（斜腹杆、直腹杆）组成，各构件之间通过焊接节点连接。从焊接工艺角度看，桁拱的制造涉及以下关键焊接环节：

初应力的产生与焊接残余应力密切相关。在桁拱制造过程中，焊接产生的残余应力会在结构内部形成自平衡的应力体系。当结构承受外部荷载时，焊接残余应力与外部荷载产生的应力叠加，可能导致局部区域提前进入塑性状态。

试验结果分析与焊接缺陷的影响

文中试验结果表明：

• 变形形态：有初应力的桁拱变形呈"M"形，L/3至2L/3段向下变形显著，跨中达到最大位移。这种变形形态与焊接残余应力的分布密切相关。在弦管对接焊缝处，残余拉应力可能加速该区域的塑性变形。
• 腹杆屈曲：拱顶处直腹杆最早开始屈曲。从焊接角度看，直腹杆与弦管的连接节点是应力集中区域，焊接缺陷（如未熔合、气孔）可能成为屈曲的起始点。
• 极限承载能力下降7.3%：初应力的存在使桁拱提前进入弹塑性状态，极限承载能力下降。焊接残余应力是初应力的重要组成部分，其大小和分布直接影响结构的承载能力。
• 变形能力下降12.1%：达到极限荷载时的最大竖向位移减小。焊接热影响区的脆化效应可能降低了结构的延性变形能力。
• 破坏模式：斜腹杆被拉裂，上弦管拼接焊缝拉裂。焊缝的拉裂表明焊接接头是结构的薄弱环节，焊接质量直接决定结构的极限承载能力。

焊接残余应力与初应力的关系分析

从焊接冶金角度，焊接残余应力的产生机制包括：

1. 热膨胀与收缩：焊接时局部加热导致材料膨胀，冷却后收缩受到约束产生残余应力。
2. 相变体积效应：对于淬硬倾向较大的钢材，HAZ区域的相变可能导致体积膨胀或收缩，产生附加残余应力。
3. 塑性变形不均匀：焊接过程中不同区域的塑性变形程度不同，冷却后产生残余应力。

在桁拱结构中，焊接残余应力与初应力的叠加效应可能导致以下后果：

• 弦管局部失稳：焊接残余压应力与外部轴力叠加，可能使弦管在较低荷载下发生局部屈曲。
• 焊缝脆性断裂：焊接残余拉应力与外部拉应力叠加，可能使焊缝在较低荷载下发生脆性断裂。
• 节点变形过大：焊接残余应力导致节点区域刚度降低，在外部荷载作用下产生过大变形。

工程实践中的焊接质量控制对策

基于本文的研究结论，结合焊接工程实践，提出以下质量控制对策：

1. 焊后热处理：对于大跨度桁拱的弦管对接焊缝，建议采用焊后热处理（PWHT）消除残余应力。热处理温度应控制在550～650℃，保温时间根据壁厚确定，一般为每25mm壁厚保温1小时。
2. 焊缝质量检测：对弦管对接焊缝进行100%RT检测，对节点角焊缝进行MT检测。对于关键焊缝，建议增加UT检测，以发现内部未熔合等缺陷。
3. 焊接顺序优化：合理安排焊接顺序，使焊接变形和残余应力相互抵消。例如，采用对称焊接、分段退焊等方法，减少焊接变形和残余应力。
4. 初应力监测：在桁拱制造和安装过程中，采用应变片或光纤传感器监测初应力分布，及时调整焊接工艺参数，控制残余应力水平。

学习心得与启示

本文的试验研究揭示了初应力对钢管混凝土桁拱受力性能的重要影响。从焊接技术角度看，焊接残余应力是初应力的重要组成部分，其大小和分布直接影响结构的承载能力和延性。在实际工程中，我们应当将焊接质量控制与结构性能分析相结合，从焊接工艺优化、焊后热处理、无损检测到初应力监测，建立全过程的质量管控体系。

未来，建议在桁拱的结构分析模型中引入焊接残余应力场，建立考虑焊接因素的有限元模型，以更准确地预测结构的受力性能和破坏模式。这对于提高大跨度钢管混凝土桥梁的安全性、延长使用寿命具有重要的工程价值。