周志祥,向 紅,徐 勇

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶400074)

重慶朝天門長江大橋為公軌兩用城市橋梁,主橋采用跨徑布置為190m+552m+190m的中承式鋼桁連續(xù)系桿拱橋(圖1)。橋面采用雙層布置,上層為雙向6車道和兩側(cè)人行道,橋面總寬36.5m;下層中間為雙線城市軌道交通,兩側(cè)各預(yù)留1個汽車車行道。下層橋面軌道橫梁跨度達(dá)29m,通過連接角鋼用高強(qiáng)螺栓與下弦節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)板相連。下弦節(jié)點(diǎn)直接承受公路荷載與輕軌荷載的雙重作用,導(dǎo)致軌道縱梁與橫梁連接部位的應(yīng)力幅大,對于大跨度鋼桁梁橋,節(jié)點(diǎn)疲勞破壞是其最主要的破壞形式[1-4]。目前常規(guī)鋼橋節(jié)點(diǎn)的設(shè)計規(guī)范顯得過于簡單,并不適合大型復(fù)雜受力節(jié)點(diǎn)的靜力承載能力分析,而關(guān)于大型節(jié)點(diǎn)的疲勞承載能力分析,設(shè)計規(guī)范更沒有規(guī)定。由于重慶朝天門長江大橋軌道橫梁與主桁連接在國內(nèi)外大跨度鋼橋中未曾有類似設(shè)計及試驗,目前的疲勞研究還不夠深入,系統(tǒng)的試驗資料也較少,一些結(jié)構(gòu)的疲勞性能理論分析只能作為參考,因此,節(jié)點(diǎn)連接部位的可靠性除了理論分析外,有必要對該種類型節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行疲勞試驗。

20世紀(jì)30-40年代,用小型的拉壓試件,在能力為0～1 000 kN或±500 kN試驗機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗。試驗的背景:一是焊接開始用于橋梁;二是發(fā)現(xiàn)鉚接橋在多年使用后有疲勞開裂狀況。美國從1967年開始進(jìn)行大規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗研究,提出了根據(jù)應(yīng)力幅 Δσ和結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)來確定疲勞壽命N的方法,該方法于1977年已為AASHTO公路橋梁設(shè)計規(guī)范[5]和AREA鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范所采用;日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會疲勞設(shè)計指南[6]、英國BS5400[7]、歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[8]和西德橋規(guī)DN804也先后采用這些試驗研究成果,該方法將不同的焊接接頭型式,按疲勞強(qiáng)度相似情況分為 A、B、C、D、E、F 6個等級,分別給出了其容許應(yīng)力幅[σ]與循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的容許應(yīng)力曲線。由于材料、工藝、連接形式和構(gòu)造細(xì)節(jié)的不同,上述國外研究成果與規(guī)范條文并不能照搬到中國大跨度鋼橋節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓連接的疲勞設(shè)計中,故只能提供參考。該文對照常規(guī)規(guī)范,根據(jù)朝天門大橋的交通量得出節(jié)點(diǎn)試驗?zāi)Ｐ偷脑囼灪奢d。采用空間有限元對全橋進(jìn)行分析從而確定出全橋受力最不利的節(jié)點(diǎn)并完成從實(shí)橋節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)模型的轉(zhuǎn)換,采用美國MTS公司的全自動液壓伺服作動器進(jìn)行200萬次正常設(shè)計疲勞荷載試驗,最后繼續(xù)提荷載等級分逐級加載直到節(jié)點(diǎn)模型疲勞破壞。

圖1 重慶朝天門長江大橋

試驗提供的研究結(jié)果,一方面,通過對朝天門長江大橋這類高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計安全性和合理性的驗證,從而對設(shè)計提出優(yōu)化性建議,保證該類結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的實(shí)現(xiàn);另一方面,可以為推動該類節(jié)點(diǎn)構(gòu)造在大跨度鋼橋中的應(yīng)用,并為該類橋梁的設(shè)計及監(jiān)測提供數(shù)據(jù)及參考意見。

1 疲勞試驗荷載的確定

鋼橋疲勞屬于變幅、低應(yīng)力、高循環(huán)、長壽命的疲勞范疇。但是,依照目前的實(shí)驗設(shè)備、技術(shù)水平和試驗研究周期要求,通常只能進(jìn)行常幅疲勞試驗,所以必須建立變幅疲勞強(qiáng)度和常幅疲勞強(qiáng)度(等效應(yīng)力幅 Δσ0)之間的聯(lián)系。所謂“等效應(yīng)力幅 Δσ0”的概念是 :對于變幅應(yīng)力循環(huán) Δσi、ni(i=1、2、3……)的重復(fù)荷載作用,可以運(yùn)用Miner[9-13]線性積傷律得到一個損傷度相同的常幅循環(huán)應(yīng)力幅Δσ0,其循環(huán)次數(shù)為則稱 Δσ0為“等效應(yīng)力幅”。

構(gòu)造細(xì)部的常幅疲勞曲線方程為:

由此可得該構(gòu)造細(xì)部在 Δσi、ni(i=1 、2、3……)重復(fù)荷載作用下的損傷度為:

由式(1)可得該構(gòu)造細(xì)部在“等效常幅 Δσ0”應(yīng)力循環(huán)作用下的疲勞破壞次數(shù)N0為:

令:Db=D 0,則有:

于是等效應(yīng)力幅為:

將朝天門大橋的營運(yùn)荷載用標(biāo)準(zhǔn)疲勞車來代表,標(biāo)準(zhǔn)疲勞車出現(xiàn)的次數(shù)也根據(jù)與實(shí)際營運(yùn)荷載等效的原則來確定。依據(jù)疲勞損傷累積理論的Miner線性積傷律,把標(biāo)準(zhǔn)疲勞車計算的內(nèi)力幅值等效成200萬次循環(huán)荷載的內(nèi)力幅值,表1是根據(jù)英美規(guī)范計算的結(jié)果。

表1 根據(jù)規(guī)范計算的彎矩幅和剪力幅

從表中可以得出:節(jié)點(diǎn)連接處的等效彎矩幅應(yīng)為:536.036 kN?M、等效剪力幅應(yīng)為:383.003 kN。

根據(jù)BS5400[7]規(guī)范對承受公路和鐵路荷載的兩用橋梁,為了得出總損傷度,應(yīng)對2種損傷值的和再乘以一定的調(diào)整系數(shù),以便把這2種荷載同時發(fā)生的概率考慮進(jìn)去。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整系數(shù)一般不超過1.2,參考已有的研究成果[3-4],取調(diào)整系數(shù)為1.1。因此,對于重慶朝天門長江大橋,疲勞荷載循環(huán)200萬次時,原型試驗節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)處調(diào)整后的等效彎矩幅為 589.64 kN?M;等效剪力幅為 421.30 kN。最終確定疲勞試驗荷載上限為213.5 kN,下限為103.65 kN,加載點(diǎn)距跨中5.2m處。

2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

為了解重慶朝天門大橋下層橋道的軌道橫梁與下弦節(jié)點(diǎn)連接處的抗疲勞性能,模型在設(shè)計時盡可能地考慮實(shí)橋結(jié)構(gòu)的受力特性及連接處的材質(zhì)與構(gòu)造細(xì)節(jié):

1)用模型與原型的幾何相似比為1∶2來模擬原型;

2)模型材質(zhì)與實(shí)橋完全相同;

3)模型節(jié)點(diǎn)區(qū)域的構(gòu)造細(xì)節(jié)與實(shí)橋一致;

4)模型與原型在考察重點(diǎn)區(qū)域受力性能一致;

5)模型的表面條件盡可能接近實(shí)橋結(jié)構(gòu)。

通過滿足這些條件使模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、殘余應(yīng)力分布、應(yīng)力集中情況、表面條件等盡可能接近實(shí)橋結(jié)構(gòu)。實(shí)橋到模型的簡化如圖2所示,試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

圖2 實(shí)橋節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)模型的簡化

圖3 節(jié)點(diǎn)試驗?zāi)Ｐ?/p>

3 試驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)變測點(diǎn)布置

應(yīng)變的測量采用電測法。根據(jù)試驗?zāi)Ｐ偷目臻g有限元計算分析結(jié)果選取有代表性的點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測量,進(jìn)而了解連接區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布。下層橋道與下弦節(jié)點(diǎn)連接處受力復(fù)雜,因此在模型上該處3個區(qū)域全部布置3向45°應(yīng)變花,通過監(jiān)測其應(yīng)變來測定模型的主應(yīng)力、剪應(yīng)力和Mises應(yīng)力。在試驗中對該區(qū)域及附近范圍進(jìn)行詳細(xì)測量,布置較多測點(diǎn),而對下層橋道與下弦節(jié)點(diǎn)連接處的其他部位只布置少量測點(diǎn)。圖4所示為部分布置區(qū)域。

圖4 節(jié)點(diǎn)板與連接角鋼處應(yīng)變片布置

4 試驗結(jié)果

疲勞試驗前首先進(jìn)行預(yù)壓靜載試驗,預(yù)壓試驗重復(fù)3次,疲勞試驗過程中停機(jī)靜載試驗采用逐級加、卸載,每次靜載試驗重復(fù)3次,荷載分級為:

疲勞試驗過程中,為了監(jiān)測各測點(diǎn)應(yīng)力,每加載 1 萬 、2 萬 、5 萬 、10 萬 、20 萬 、40 萬 、60 萬 、80 萬 、100 萬 、120 萬 、140 萬 、160 萬 、180 萬 、200 萬次后停機(jī)進(jìn)行靜載應(yīng)變測量,以便通過測點(diǎn)應(yīng)變變化,及早發(fā)現(xiàn)開裂或其它異常情況,應(yīng)力變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)板主拉應(yīng)力實(shí)測值

圖6 B6-1測點(diǎn)主拉應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線圖

縱梁與橫梁交叉節(jié)點(diǎn)模型測點(diǎn)最大主拉應(yīng)力為28.3mPa,出現(xiàn)在橫梁上翼緣連接角鋼上。模型測點(diǎn)的最大Von.Mises應(yīng)力為57.3mPa,出現(xiàn)在梁腹板下部1/3處。橫梁腹板與主桁節(jié)點(diǎn)連接角鋼上測點(diǎn)的Von.Mises應(yīng)力在60mPa以內(nèi)。測點(diǎn)主拉應(yīng)力在每次靜載試驗時,呈線性變化,各次靜載試驗的主拉應(yīng)力數(shù)值差別不大,未發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)應(yīng)變有明顯增大或減小現(xiàn)象。整個疲勞加載過程中未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象。每次停機(jī)靜載試驗,檢查試件,未發(fā)現(xiàn)裂紋,未發(fā)現(xiàn)螺栓有松動。200萬次疲勞試驗后,對試件進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)裂紋,螺栓未發(fā)現(xiàn)有松動。

對試驗?zāi)Ｐ徒⒘擞邢拊嬎隳Ｐ?圖7),計算結(jié)果見表2。從表1中可以看出,實(shí)測值與理論值的整體變化趨勢基本上是相同的,除個別測點(diǎn)外,大多數(shù)測點(diǎn)都和理論值比較接近。在213 kN荷載作用下,除去軌道橫梁加載截面附近外,模型測點(diǎn)的主拉應(yīng)力理論計算最大值在30mPa左右,實(shí)測最大值在20mPa左右;Von.Mises應(yīng)力理論計算最大值在55mPa左右,實(shí)測最大值在50mPa左右;通過理論分析和試驗結(jié)果的比較,本次試驗是成功的,試驗的數(shù)據(jù)基本上反應(yīng)了試件的工作狀態(tài),試驗數(shù)據(jù)是可靠的。

5 疲勞可靠性評價

5.1 疲勞試驗結(jié)果

從疲勞試驗過程中的靜載試驗應(yīng)力來看,絕大多數(shù)測點(diǎn)的主拉應(yīng)力在20mPa以內(nèi),少數(shù)幾個測點(diǎn)的主拉應(yīng)力接近45mPa。實(shí)測拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于各構(gòu)件的疲勞容許應(yīng)力。另外,整個疲勞加載過程中未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象,200萬次疲勞試驗后,對試件進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)裂紋。下層橋道與下弦節(jié)點(diǎn)連接處的疲勞強(qiáng)度完全能夠滿足要求。

5.2 有限元計算結(jié)果

試驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力水平不高,在213 kN荷載作用下,除去軌道橫梁加載截面附近外,模型測點(diǎn)的主拉應(yīng)力理論計算最大值在30mPa左右,Von.Mises應(yīng)力理論計算最大值在55mPa左右 。從有限元計算結(jié)果來看,下層橋道與下弦節(jié)點(diǎn)連接處的疲勞強(qiáng)度完全能夠滿足要求。

圖7 試驗?zāi)Ｐ偷挠邢拊Ｐ?/p>

表2 試驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力實(shí)測值和理論值對比

5.3 相關(guān)規(guī)范驗算結(jié)果

1)中國公路規(guī)范JTJ025-86[14]

ρ=0時,疲勞容許應(yīng)力 [σn]=165mPa＞45mPa,滿足要求。

ρ=-1時,疲勞容許應(yīng)力[σn]=103.13MPa＞45mPa,滿足要求。

2)鐵路鋼橋設(shè)計規(guī)范B10002.2-2005[15]

ρ=0.498,疲勞容許應(yīng)力[σ0]=109.6MPa＞45mPa,滿足要求。

3)英國BS5400[7]

摩擦型高強(qiáng)螺栓連接的構(gòu)造細(xì)節(jié)類型為C類,200萬次疲勞強(qiáng)度50%保證概率下為161.9mPa,97.7%保證概率下為123.86mPa(其疲勞方程式為:lg N+3.5lgσ=13.63),滿足要求。

4)美國AASHTO[5]

美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范(AASH TO)中,細(xì)節(jié)分類B的常幅疲勞臨界值為110mPa＞45mPa,滿足要求。從以上分析可以看出,重慶朝天門長江大橋下層橋道與下弦節(jié)點(diǎn)連接處的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

5)歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[8]

歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(EurocodE3 Part1.9)中,有關(guān)單邊高強(qiáng)螺栓連接(細(xì)節(jié)類型 90),200萬次97.7%保證率下的疲勞強(qiáng)度為90mPa＞24.1mPa,滿足要求。

6 節(jié)點(diǎn)模型疲勞破壞試驗

在完成與設(shè)計壽命期對應(yīng)的200萬次疲勞循環(huán)加載試驗后,對節(jié)點(diǎn)試驗?zāi)Ｐ驼归_超長服役期內(nèi)超負(fù)荷疲勞試驗研究。具體試驗破壞過程及現(xiàn)象描述見表3,圖8是疲勞破壞后的腹板和角鋼裂紋以及螺栓松動情況。

表3 節(jié)點(diǎn)從加載到疲勞破壞的過程描述

根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋出現(xiàn)前,疲勞試驗實(shí)測應(yīng)力幅及加載循環(huán)次數(shù),可以對結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行估計。根據(jù)公式[16]:

得出計算結(jié)果表明,在設(shè)計疲勞荷載幅作用下,試驗?zāi)Ｐ椭锌v梁與橫梁交叉節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)的使用壽命(出現(xiàn)裂紋前)是其設(shè)計壽命的4.4倍。若將疲勞荷載幅提高1.5倍,試驗?zāi)Ｐ椭锌v梁與橫梁交叉節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)使用壽命是設(shè)計壽命1.3倍。當(dāng)疲勞荷載幅提高到2倍以上后模型開始出現(xiàn)破壞。

圖8 疲勞破壞后的腹板和角鋼裂紋

7 結(jié)論

1)200萬次疲勞試驗加載過程中,測點(diǎn)主拉應(yīng)力呈線性變化,各次靜載測試結(jié)果基本一致,節(jié)點(diǎn)處于彈性工作狀態(tài)。

2)測點(diǎn)的動應(yīng)變幅隨循環(huán)次數(shù)變化不大,動應(yīng)變波形曲線比較光滑,表明測點(diǎn)在疲勞加載過程中受力無異常。

3)200萬次疲勞試驗加載過程中未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋或螺栓松動等異常情況。

4)節(jié)點(diǎn)測區(qū)應(yīng)力的理論值與實(shí)測值變化趨勢一致,理論值稍大于實(shí)測值,理論計算能夠把握節(jié)點(diǎn)實(shí)際工作狀態(tài)。

5)模型試驗和理論分析表明:M型節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造在設(shè)計服役期內(nèi),在設(shè)計使用荷載作用下具有足夠的抗疲勞強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)的估計使用壽命明顯大于設(shè)計使用要求。

6)該節(jié)點(diǎn)疲勞破壞的歷程歸納為:疲勞加載-振動-面外晃動-次應(yīng)力產(chǎn)生-連接界面磨損-螺栓松動-聯(lián)結(jié)性能退化-連接板件應(yīng)力重分布-應(yīng)力易集中部位出現(xiàn)疲勞裂紋。

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