李 迪，吉伯海，傅中秋，田 圓，楊沐野

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098）

正交異性鋼橋面板因自重輕、極限承載力大、高度低、易于加工制造及施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛使用于大、中跨度橋梁中。20世紀(jì)80年代以來(lái)，正交異性鋼橋面板在中國(guó)得到了迅速發(fā)展。近年來(lái)，眾多大跨度長(zhǎng)江大橋的建造更是促進(jìn)了正交異性鋼橋面板的發(fā)展和應(yīng)用。正交異性鋼橋面板由相互垂直的縱、橫向加勁肋和橋面頂板焊接形成整體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接多。焊接造成的殘余應(yīng)力、橋面板直接承受車輪荷載的反復(fù)作用、結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷、施工質(zhì)量以及早期設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)正交異性橋面板疲勞裂紋產(chǎn)生的機(jī)理認(rèn)識(shí)不透等綜合因素的影響，使得正交異性鋼橋面板易產(chǎn)生疲勞損傷［1－4］。

正交異性鋼橋面板中，頂板與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)是典型的易引起疲勞損傷的部位，日本結(jié)構(gòu)委員會(huì)厚板焊接接頭調(diào)查研究分委會(huì)曾于2007年對(duì)日本阪神高速公路和首都高速公路鋼橋面板進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)，確定其為出現(xiàn)疲勞裂紋較多的構(gòu)造細(xì)節(jié)之一［5］。頂板與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)承受疲勞荷載時(shí)，由于結(jié)構(gòu)抗力的降低，導(dǎo)致疲勞性能衰退。而衰退過(guò)程中會(huì)發(fā)生疲勞應(yīng)力幅的變化以及局部撓曲?，F(xiàn)有的研究［6］表明，構(gòu)件的疲勞損傷伴隨著疲勞應(yīng)力幅的變化，存在衰退現(xiàn)象。應(yīng)力幅變化可以作為評(píng)價(jià)疲勞性能衰退的手段，目前大多數(shù)學(xué)者研究疲勞問(wèn)題大多關(guān)注疲勞壽命、損傷累積以及維護(hù)，對(duì)疲勞性能衰退規(guī)律研究不多。僅有少數(shù)學(xué)者研究構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能衰退時(shí)的應(yīng)力幅變化，并依此判斷構(gòu)造細(xì)節(jié)是否出現(xiàn)疲勞裂紋［7］。

結(jié)構(gòu)的疲勞性能衰退是一個(gè)復(fù)雜的變化過(guò)程。研究結(jié)構(gòu)的疲勞性能衰退有助于全面地了解其疲勞發(fā)展規(guī)律。作者擬針對(duì)鋼橋面板頂板與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)進(jìn)行等幅加載的試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究其疲勞性能衰退規(guī)律，以期為鋼橋面板疲勞評(píng)估與養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)的主要目的是研究正交異性鋼橋面板中頂板與豎向加勁肋焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能衰退規(guī)律。試件尺寸依據(jù)實(shí)橋設(shè)計(jì)圖紙和類似構(gòu)造細(xì)節(jié)選取，鋼橋面板頂板和豎向加勁肋的厚度均為12mm，試件模型及具體幾何尺寸如圖1所示。

本次試驗(yàn)共有6個(gè)試件：3個(gè)熔透率為75%的角焊縫連接試件（簡(jiǎn)稱為角焊縫試件）和3個(gè)全熔透焊縫連接試件（簡(jiǎn)稱為全熔透焊縫試件），由中鐵寶橋（揚(yáng)州）有限公司進(jìn)行加工制造。試件材料采用Q345qD型號(hào)鋼材，焊接工藝為CO2氣體保護(hù)焊，與實(shí)橋焊接工藝保持一致。為確定該批試件的焊接質(zhì)量，加工完成后對(duì)其進(jìn)行了磁粉和超聲波探傷檢測(cè)。

圖1 試件幾何尺寸設(shè)計(jì)圖（單位：mm）Fig.1 The design of specimen geometry（units：mm）

試驗(yàn)的加載裝置采用機(jī)械型振動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)［8］，如圖2所示。根據(jù)名義應(yīng)力幅大小，分別進(jìn)行3個(gè)等級(jí)的加載：55，80和100MPa。實(shí)際加載時(shí)，應(yīng)力幅控制在10%以內(nèi)浮動(dòng)。加載結(jié)束以疲勞裂紋開展至距兩側(cè)焊趾30mm處為標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 疲勞試驗(yàn)加載方式示意Fig.2 Fatigue test diagram of loading method

根據(jù)實(shí)橋上該類裂紋擴(kuò)展情況，該類焊接接頭疲勞裂紋是從焊縫包角焊趾處起裂并逐漸沿著板橫向延伸。為了研究試件在裂紋不同擴(kuò)展階段的疲勞性能，本試驗(yàn)采用直徑為0.03mm的細(xì)銅線，建立裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)機(jī)制，對(duì)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度進(jìn)行控制［9］。

依托細(xì)銅線檢測(cè)系統(tǒng)，疲勞裂紋開展如圖3所示，本次試驗(yàn)定義了疲勞裂紋開展階段的標(biāo)準(zhǔn)：N趾為試件在焊縫包角焊趾處初次出現(xiàn)裂紋的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Nb為試件裂紋開展至兩側(cè)焊趾的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；N10為試件裂紋開展至距加兩側(cè)焊趾10mm處的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；N30為試件裂紋開展至距兩側(cè)焊趾30mm處的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，此時(shí)判定試件已經(jīng)破壞。

圖3 疲勞裂紋擴(kuò)展示意Fig.3 Fatigue crack propagating diagram

為了研究焊縫焊趾附近應(yīng)力幅的情況，在圍焊端部弧形焊縫焊趾處，按熱點(diǎn)應(yīng)力法布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為CD1和CD2。由于各個(gè)疲勞細(xì)節(jié)的名義應(yīng)力法測(cè)點(diǎn)布置尚未統(tǒng)一［10－11］，本次試件名義應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置選擇焊縫附近數(shù)值穩(wěn)定、受邊界條件和焊縫影響較小的兩個(gè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，以便比較不同試件的應(yīng)力幅變化，編號(hào)分別為CD3和CD4。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：mm）Fig.4 Measuring－point arrangement diagram（units：mm）

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，CD3與CD4的應(yīng)力幅－循環(huán)次數(shù)曲線是一致的，因此，本研究只以CD3的曲線作為代表，進(jìn)行比較和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力幅變化規(guī)律

整個(gè)疲勞加載過(guò)程中的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅變化如圖5所示。從圖5中可以看出疲勞荷載作用下頂板與豎向加勁肋連接處應(yīng)力幅變化的特點(diǎn)有：在疲勞加載的過(guò)程中，不同加載應(yīng)力幅條件下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線變化規(guī)律一致，CD1與CD2的應(yīng)力幅變化相似，都在疲勞加載初期快速下降，之后應(yīng)力幅下降變緩直至試件破壞。加載應(yīng)力幅越高，試件的應(yīng)力幅快速下降越早出現(xiàn)，試件越早進(jìn)入快速疲勞衰退的階段。CD3的應(yīng)力幅在整個(gè)加載過(guò)程中緩慢上升，并沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力幅突變。這種現(xiàn)象是因?yàn)榧虞d時(shí)由于應(yīng)力集中，疲勞裂紋起裂于靠近CD1的焊趾處。當(dāng)裂紋逐漸開展后，起裂點(diǎn)附近的應(yīng)力幅會(huì)隨著裂紋的開展而減小。而CD3測(cè)點(diǎn)由于距離裂紋開展位置較遠(yuǎn)，應(yīng)力幅較為穩(wěn)定，僅在裂紋開展時(shí)緩慢上升。

圖5 疲勞試件應(yīng)力幅變化Fig.5 Stress range variation of fatigue test specimens

2.2 裂紋開展規(guī)律

圖6 全熔透焊縫試件應(yīng)力幅變化Fig.6 Stress range variation of weld melt－through specimens

3種加載應(yīng)力幅下試件隨著裂紋開展過(guò)程的應(yīng)力幅變化分別如圖6，7所示。從圖6，7中可以看出疲勞荷載作用下頂板與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)應(yīng)力幅隨著裂紋開展的規(guī)律為：所有試件在疲勞加載初期未出現(xiàn)裂紋時(shí)應(yīng)力幅變化較小，應(yīng)力幅在N趾到N10階段CD1與CD2的疲勞應(yīng)力幅快速下降，在N10到N30階段應(yīng)力下降速率減小直至破壞。CD3的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅在N趾開裂之后緩慢上升，應(yīng)力幅的變化率逐漸有增大的趨勢(shì)。

角焊縫試件的CD3測(cè)點(diǎn)在開始加載至裂紋開展到N10階段，其應(yīng)力幅變化比全熔透焊縫試件的小。在N10階段之后，其應(yīng)力幅顯著上升。這表明在加載前期時(shí)，角焊縫試件的疲勞性能比全熔透試件的衰退得慢，它抵抗疲勞衰退的性能好。

3 疲勞性能衰退影響因素分析

3.1 焊縫類型

圖7 角焊縫試件應(yīng)力幅變化Fig.7 Stress range variation of fillet weld specimens

焊縫類型［12］是影響頂板與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)疲勞性能的一個(gè)重要因素。為了直觀地比較不同焊縫試件的疲勞性能衰退，采用裂紋開展單位長(zhǎng)度時(shí)的應(yīng)力幅變化作為試件疲勞性能的衰退速率來(lái)評(píng)價(jià)試件的疲勞性能。由于在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)觀測(cè)裂紋開展較為困難，以從試件起裂到破壞時(shí)的裂紋開展距離焊址30mm計(jì)算等效應(yīng)力幅變化速率。

本次試驗(yàn)中，兩種焊接試件所測(cè)得的應(yīng)力幅變化速率對(duì)比見(jiàn)表1。100MPa加載應(yīng)力幅下，CD3測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力幅變化速率最大為4.977MPa／mm，CD2的應(yīng)力幅變化速率最小為2.727MPa／mm。當(dāng)加載應(yīng)力幅為100MPa時(shí)，角焊縫試件的應(yīng)力幅變化速率均小于全熔透焊縫試件的。

80MPa加載應(yīng)力幅變化的速率見(jiàn)表2。角焊縫試件的CD1和CD2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅變化速率均小于全熔透焊縫試件的，而全熔透焊縫CD3的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅變化速率較小。在整個(gè)加載過(guò)程中，角焊縫試件的CD3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅從開始加載直至N10階段都較為穩(wěn)定，僅在試件將要破壞的N10至N30階段出現(xiàn)明顯的應(yīng)力幅變化，因此，在80MPa加載應(yīng)力幅下，角焊縫試件的疲勞性能衰退較慢。

55MPa的較低加載應(yīng)力幅變化的速率見(jiàn)表3。雖然全熔透試件CD1和CD2兩測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力幅變化速率均比全熔透焊縫試件的略大，但是，它們相差沒(méi)超過(guò)15%，差異并不明顯。而CD3測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力幅變化速率小，因此，在55MPa加載應(yīng)力幅下，角焊縫試件的應(yīng)力幅變化速率比全熔透焊縫試件的小。

在100，80和55MPa3種加載應(yīng)力幅下，角焊縫試件的應(yīng)力幅變化速率均比全熔透試件的小，其疲勞性能衰退較慢，因此，在本次試驗(yàn)中，角焊縫連接細(xì)節(jié)的疲勞性能比全熔透連接細(xì)節(jié)的好。

表1 100MPa加載應(yīng)力幅變化的速率Table 1 Variation rate of stress range under 100MPa loading stress

表2 80MPa加載應(yīng)力幅變化的速率Table 2 Variation rate of stress range under 80MPa loading stress

表3 55MPa加載應(yīng)力幅變化的速率Table 3 Variation rate of stress range under 55MPa loading stress

3.2 加載應(yīng)力幅

試驗(yàn)現(xiàn)象表明，較高加載應(yīng)力幅下的疲勞性能衰退會(huì)加快，因此，在加載應(yīng)力幅變化時(shí)，會(huì)對(duì)試件應(yīng)力幅變化的速率產(chǎn)生影響。

全熔透焊縫試件在55，80和100MPa 3種加載應(yīng)力幅下應(yīng)力幅變化的速率逐漸增大，并且在100MPa下應(yīng)力幅變化的速率要明顯大于在80MPa下應(yīng)力幅變化的速率。由此可見(jiàn)，加載應(yīng)力幅越大，全熔透焊縫試件應(yīng)力幅變化的速率越大，其疲勞性能衰退越快。

在不同加載應(yīng)力幅下，角焊縫試件應(yīng)力幅變化的速率沒(méi)有明顯規(guī)律?？赡苡捎谠嚰?shù)量有限，對(duì)此種現(xiàn)象有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)論證。

4 結(jié)論

1）裂紋開展過(guò)程中，全熔透焊縫試件相對(duì)于角焊縫試件，其應(yīng)力幅衰退變化更顯著。

2）試件疲勞裂紋開展至距離焊趾處10mm時(shí)，試件疲勞性能衰退較快。試件疲勞裂紋開展至距離焊趾處超過(guò)10mm后，試件疲勞性能衰退速率逐漸降低。

3）本次試驗(yàn)中，75%熔透率角焊縫試件的疲勞性能衰退比全熔透焊縫試件的慢，75%熔透率角焊縫試件的疲勞性能比全熔透焊縫試件的好。

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