楊牧盤, 王春宇, 完海鷹, 陳安英
(1.安徽省交通投資集團有限責(zé)任公司, 安徽 合肥 230011; 2.合肥工業(yè)大學(xué), 安徽 合肥 230009)
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敞開式桁架組合簡支梁橋組合節(jié)點疲勞性能試驗研究
楊牧盤1, 王春宇2, 完海鷹2, 陳安英2
(1.安徽省交通投資集團有限責(zé)任公司, 安徽 合肥230011;2.合肥工業(yè)大學(xué), 安徽 合肥230009)
[摘要]以某60 m跨度敞開式桁架組合簡支梁橋為工程背景,對桁架鋼-砼連接組合節(jié)點進行疲勞性能試驗研究。通過橋梁結(jié)構(gòu)整體有限元分析,選取橋梁受力最不利的組合節(jié)點為研究對象,參考有關(guān)設(shè)計規(guī)范,基于Miner疲勞損傷累積原則,確定試驗節(jié)點的疲勞應(yīng)力幅。設(shè)計制作節(jié)點足尺模型對鋼-砼連接組合節(jié)點進行200萬次常幅疲勞試驗。試驗及有限元理論分析結(jié)果表明,設(shè)計采用的開孔鋼板抗剪連接件組合節(jié)點在設(shè)計壽命期內(nèi)具有良好的抗疲勞破壞性能。
[關(guān)鍵詞]桁架; 組合梁橋; 組合節(jié)點; 疲勞; 試驗
0前言
敞開式鋼管-混凝土桁架組合梁橋結(jié)構(gòu)主要包含主桁架、橋面系結(jié)構(gòu)兩部分。主桁架由上弦桿、腹桿及下弦桿組成,為了增強結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定承載力和優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置,上弦桿、端斜桿可采用鋼管混凝土組合構(gòu)件,腹桿可為鋼管構(gòu)件,下弦桿采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁式構(gòu)件。主橋橋面系結(jié)構(gòu)由橋面板、中橫梁及端橫梁組成,與主桁架下弦桿共同參與結(jié)構(gòu)受力,橫梁可采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁。敞開式鋼管-混凝土桁架組合梁橋結(jié)合了鋼材和混凝土各自材料性能優(yōu)勢,具有自重輕、跨越能力強、橋梁結(jié)構(gòu)高度低、造型簡潔美觀、造價相對較省等諸多優(yōu)勢,是一種具有創(chuàng)新意義的新型梁式橋梁。
為了增強鋼管構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的連接可靠性,敞開式鋼管-混凝土桁架組合梁橋結(jié)構(gòu)的鋼管桁架腹桿與下弦預(yù)應(yīng)力混凝土主梁連接可采用栓釘、焊接型鋼或開孔鋼板抗剪連接件(簡稱PBL剪力連接件)連接[1]。橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計壽命內(nèi)要承受由大量車輛荷載產(chǎn)生的反復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用,這些循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的損傷累積可能會導(dǎo)致橋梁構(gòu)件形成裂紋并出現(xiàn)疲勞破壞[2-4]。研究敞開式桁架組合簡支梁橋結(jié)構(gòu)鋼-砼組合連接關(guān)鍵節(jié)點在疲勞應(yīng)力作用下的節(jié)點疲勞性能對保證新型橋梁結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。論文以某高速公路跨度60 m敞開式鋼管-混凝土桁架組合梁橋為工程背景,對敞開式桁架組合簡支梁橋組合節(jié)點進行疲勞性能試驗研究并進行疲勞性能評價。
1疲勞分析理論
1.1S-N曲線與疲勞極限[5-7]
在平均應(yīng)力σm或應(yīng)力比R給定的情況下,通過變換應(yīng)力幅Δσ或變換最大應(yīng)力σmax來進行常幅疲勞試驗,可以測出試件失效時的疲勞壽命N。以應(yīng)力幅Δσ(或最大應(yīng)力σmax)為縱坐標(biāo),以測定的疲勞壽命N為橫坐標(biāo),所得曲線即為該材料的S-N曲線。在直角坐標(biāo)系下,S-N曲線為一條雙曲線,其表達式為:
Nσm=C
(1)
在雙對數(shù)坐標(biāo)系下,S-N曲線為一條直線,其表達式為:
lgN=lgC-mlgσ
(2)
式中:m和C為材料常數(shù)。兩種坐標(biāo)系下的S-N曲線分別如圖1所示。
圖1 直角坐標(biāo)系和對數(shù)坐標(biāo)系下的S-N曲線Figure 1 S-N curve under cartesian coordinate system and logarithmic coordinate system
直角坐標(biāo)系下的S-N曲線上具有水平段,與其對應(yīng)的最大應(yīng)力σmax稱為疲勞極限,在該應(yīng)力水平下,試件能夠承受無限次荷載循環(huán)而不發(fā)生破壞。通??捎稍囼灧椒▉頊y點試件的疲勞極限,但疲勞試驗不可能無限次做下去,在工程應(yīng)用中一般可認(rèn)為,若焊接構(gòu)件能夠承受2×106次應(yīng)力循環(huán),它就能承受無限次相同應(yīng)力水平的循環(huán)并不發(fā)生破壞。
1.2疲勞損傷累積理論
基于Miner提出的“線性積傷律”準(zhǔn)則[5-7],疲勞損傷累積破壞的表達式假定為:
(3)
(4)
若當(dāng)構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞時,荷載循環(huán)的次數(shù)n與構(gòu)件的疲勞壽命N恰好相等,則此時臨界損傷值DCR=1。故當(dāng)理論計算得D≥1,表示構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞;D≤1,表示構(gòu)件尚未發(fā)生疲勞破壞。由于在橋梁等工程結(jié)構(gòu)疲勞破壞中,其臨界損傷值DCR通常在1上下浮動,但浮動范圍較小,Miner線性疲勞損傷累積理論在工程中應(yīng)用廣泛。
2工程背景
某高速公路60 m跨堤引橋為敞開式鋼管-混凝土桁架組合簡支梁橋,為高速公路跨線橋。橋梁下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩、樁基礎(chǔ),上部結(jié)構(gòu)由兩片敞開式主桁架及橋面體系組成。其上弦桿、端斜桿為鋼管混凝土結(jié)構(gòu),腹桿為鋼管結(jié)構(gòu),下弦桿為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)與柱式橋墩采用抗震鉛芯支座連接。主桁架采用不帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系,節(jié)間長度4 m,主桁架高度6.8 m,高跨比為1/8.82。兩片主桁架中心距為13.65 m,寬跨比為1/4.40,橋面行車道寬度12.125 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)布置見圖2。對該橋組合節(jié)點進行疲勞性能試驗研究。
圖2 單跨60 m桁架組合梁橋橋型布置圖(單位: mm)Figure 3 Arrangement plan of a bridge of open lattice and composite simply supported beam with a 60 meters span(unit: mm)
3試驗?zāi)P偷拇_定
3.1節(jié)點的選取
使用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立該敞開式鋼管-混凝土桁架組合簡支梁橋分析模型如圖3所示。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中的相關(guān)規(guī)定,計算桁架橋在正常使用階段的受力情況[8]。計算結(jié)果表明,圖3中所示試驗節(jié)點為結(jié)構(gòu)最不利節(jié)點,定義與其直接相連的兩根腹桿分別為腹桿A、腹桿B。無車輛荷載作用時,在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下,腹桿A的最大拉應(yīng)力為110.9 MPa,腹桿B的最大壓應(yīng)力為-72.4 MPa,下弦桿的最大壓應(yīng)力為-7.0 MPa。使用有限元軟件MIDAS/FEA建立試驗節(jié)點的實體模型如圖4所示。
圖3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型Figure 3 The finite element model of bridge structure
圖4 試驗節(jié)點有限元模型Figure 4 The finite element model of test joints
3.2應(yīng)力幅的確定
按照常幅疲勞試驗做法,根據(jù)Miner疲勞損傷累積理論,可以將各種標(biāo)準(zhǔn)疲勞車計算的內(nèi)力幅值等效成循環(huán)次數(shù)為200萬次時的內(nèi)力幅值。分別根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)、英國橋梁規(guī)范BS5400、美國橋梁規(guī)范AASHTO中車輛荷載的布置方式和標(biāo)準(zhǔn)疲勞車進行計算,得到僅考慮車輛荷載時各桿件的應(yīng)力幅值如表1所示[8-11]。
表1 3種規(guī)范下應(yīng)力幅值對比表Table1 Threedifferentstandardstressamplitudecompari-sontable依據(jù)的規(guī)范軸力幅值/kN應(yīng)力幅值/MPa腹桿A腹桿B腹桿A腹桿B《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)383.7-345.89.5-8.6BS5400307.0-278.77.6-6.9AASHTO302.6-270.37.5-6.7
根據(jù)應(yīng)力幅值計算結(jié)果,選擇腹桿A的受力情況作為試驗疲勞荷載應(yīng)力幅設(shè)計依據(jù),確定腹桿A的試驗軸力幅值為400 kN。
3.3試驗節(jié)點的制備
疲勞試驗采用足尺模型,加載設(shè)備采用美國MTS公司制造的50 t全自動液壓伺服疲勞試驗機。試驗節(jié)點加載布置情況如圖5所示。
圖5 試驗節(jié)點加載布置圖Figure 5 Arrangement plan of tested joint loading
4靜力試驗
在進行疲勞試驗前,對試驗節(jié)點的A、B腹桿分別進行一次靜力加載試驗,了解在各級荷載作用下試驗節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,并驗證建立的有限元分析模型是否準(zhǔn)確。加載過程分為6個荷載步,依次為:100→200→300→200→100 kN→0。靜力加載試驗中,研究的應(yīng)力測點布置情況如圖6所示。測點J1~J8、J9~J16的應(yīng)力-荷載步變化曲線分別如圖7所示。
圖6 靜力加載試驗應(yīng)力測點布置圖Figure 6 Arrangement plan of tested joint under static loading stress
圖7 測點J1~J16應(yīng)力-荷載步曲線Figure 7 Curve of stress-loading of J1~J16 testing point
由圖7可以看出:靜力加載過程中,測點的實測應(yīng)力與荷載大致呈線性關(guān)系,加載與卸載過程表現(xiàn)出較好的對稱性(可恢復(fù)性),測點位置處于彈性受力狀態(tài)。
在腹桿A上分別施加100、 200、 300 kN的軸向拉力,得到應(yīng)力測點J1~J8的實測值與計算值如表2所示。在腹桿B上分別施加100、 200、 300 kN的軸向壓力,得到應(yīng)力測點J9~J10的實測值與計算值如表2所示。實測值與計算值變化趨勢一致,數(shù)值誤差在15%以內(nèi),表明通過MIDAS/FEA建立的試驗節(jié)點有限元模型可以反映實際試驗節(jié)點受力特性。
表2 腹桿A和腹桿B靜力試驗實測值與計算值對比表Table2 WebmemberA’sandB’sstatictestmeasuredstressvaluescomparedwiththecalculatedvalueMPa測點編號加載工況100kN200kN300kN實測值計算值實測值計算值實測值計算值腹桿AJ12.702.524.915.148.187.42J22.272.194.104.217.237.53J32.662.745.405.166.757.55J42.001.893.263.675.995.89J51.941.883.253.676.495.98J61.381.432.732.514.063.71J71.241.212.712.463.943.76J81.982.054.303.976.065.90腹桿BJ9-2.48-2.53-4.82-5.01-8.22-7.57J10-2.62-2.56-4.58-5.07-7.92-7.49J11-2.50-2.61-4.77-5.14-7.41-7.81J12-1.72-1.59-3.26-3.17-4.40-4.76J13-1.75-1.56-2.83-3.04-4.87-4.51J14-1.21-1.14-2.29-2.37-3.90-3.55J15-2.41-2.43-4.44-4.92-6.58-7.42J16-1.57-1.56-3.13-2.98-4.19-4.41
5疲勞試驗分析結(jié)果
腹桿A的試驗軸力幅值為400 kN。試驗加載不考慮基礎(chǔ)應(yīng)力,施加常幅正弦波荷載,加載頻率為2 Hz,周期循環(huán)變化下限荷載為50 kN,上限荷載為450 kN,循環(huán)次數(shù)為200萬次。疲勞試驗中,研究的應(yīng)力測點布置情況如圖8所示,當(dāng)疲勞荷載加載至1萬、 2萬、 5萬、 10萬、 20萬次、及以后每20萬次停機一次,通過動應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀來測量動應(yīng)變,直至200萬次結(jié)束。疲勞試驗過程中,各測點的應(yīng)力變化情況如圖9所示。
圖8 疲勞試驗應(yīng)力測點布置圖Figure 8 Arrangement plan of tested joint under fatigue stress
圖9 主拉應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線Figure 9 Curve of changes of principal tensile stress about times of circulation
經(jīng)過200萬次400 kN荷載幅值循環(huán)加載后,測點應(yīng)力值隨疲勞次數(shù)的增加沒有明顯的增加,對試驗節(jié)點進行仔細(xì)表觀檢查,未發(fā)現(xiàn)裂紋及異常情況。試驗結(jié)果表明,試驗節(jié)點在設(shè)計疲勞荷載作用下不會產(chǎn)生疲勞破壞,滿足安全使用要求[12]。
使用由MIDAS/FEA建立的試驗節(jié)點有限元模型,考慮設(shè)計基礎(chǔ)應(yīng)力不變,將疲勞應(yīng)力幅不斷放大后進行200萬次的疲勞損傷驗算。腹桿A疲勞應(yīng)力幅放大至試驗值的2.02倍時,試驗節(jié)點開始出現(xiàn)疲勞損傷,部分鋼構(gòu)件開始退出工作,此時試驗節(jié)點PBL鍵部分的應(yīng)力云圖如圖10所示。依據(jù)疲勞分析理論,試驗節(jié)點的疲勞極限為試驗設(shè)計應(yīng)力幅的2.02倍,即19.2 MPa。疲勞損傷出現(xiàn)在腹桿A與主鋼板交接處,試驗節(jié)點的其他部分均未出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。PBL鍵疲勞損傷度為1.4%。
圖10 應(yīng)力幅放大至2.02倍時試驗節(jié)點鋼材應(yīng)力云圖Figure 10 Steel stress nephogram of testing joints under 2.02 times stress amplitude
6結(jié)論
通過對某敞開式桁架組合簡支梁橋組合節(jié)點進行有限元分析及疲勞試驗研究,得到以下幾點結(jié)論:
① 靜力加載試驗結(jié)果表明,試驗節(jié)點實測應(yīng)力與荷載大致呈線性關(guān)系,加載、卸載過程具有良好的對稱性,腹桿A、腹桿B的靜力試驗實測值與計算值較接近,誤差在15%以內(nèi),有限元模型可以反映實際情況。
② 通過結(jié)構(gòu)整體有限元計算,確定腹桿A的試驗軸力幅值為400 kN。疲勞循環(huán)加載過程中及完成200次疲勞循環(huán)加載后,試驗節(jié)點均未出現(xiàn)裂紋及異?,F(xiàn)象,表明該組合節(jié)點設(shè)計合理,疲勞性能滿足設(shè)計要求。
③ 根據(jù)試驗結(jié)果,使用有限元模型推算該組合節(jié)點的疲勞極限。當(dāng)腹桿A疲勞應(yīng)力幅放大至試驗值的2.02倍時,試驗節(jié)點開始出現(xiàn)疲勞損傷,疲勞極限為19.2 MPa。疲勞損傷最先出現(xiàn)在腹桿A與主鋼板交接處。
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Experimental Study on Fatigue Performance of Composite Joint of Open-truss Composite Simply Supported Beam Bridge
YANG Mupan1, WANG Chunyu2, WAN Hanying2, CHEN Anying2
(1.Anhui Transportation Investment Group CO., LTD, Hefei, Anhui 230011, China;2.Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China)
[Abstract]The fatigue performance of steel-concrete composite joint in the truss was studied using an open-truss composite simply supported beam bridge with 60 meters span as engineering background.Through conducting finite element analysis for overall bridge structure,the most unfavorable composite joint of the bridge was selected for the study,and fatigue stress amplitude of the tested joint was determined based on relevant design specifications and Miner fatigue damage cumulative theory .A full-scale model was designed to conduct 2 million times fatigue tests ith constant amplitude for composite joint with steel-concrete form.Results of test and finite element analysis show that the composite joint of shear connector with perforated strip possesses excellent anti-fatigue and destruction-resisting performance during the designed life.
[Key words]truss; composite beam bridge; composite joint; fatigue; test
[中圖分類號]U 448.2+7
[文獻標(biāo)識碼]A
[文章編號]1674—0610(2016)02—0186—05
[作者簡介]楊牧盤(1976—),女,安徽安慶人,高級工程師;[通訊作者] 完海鷹(969725864@qq.com)
[收稿日期]2014—12—22