劉曉光，陶曉燕

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

金屬材料在長期應用過程中會出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，危害十分嚴重，全世界每年因銹蝕報廢的鋼鐵設備相當于年產(chǎn)量的30%，我國每年因銹蝕造成的經(jīng)濟損失至少達200億元。對于鋼結構橋梁來說，腐蝕和疲勞是其服役期間產(chǎn)生病害損傷的主要原因。為了保證鋼橋的安全使用，不受腐蝕破壞，數(shù)十年來一直采用涂料予以保護。鋼橋的銹蝕不僅給結構帶來損害，而且給工務部門增加了繁重的管理和維修負擔，周期性的再涂裝也耗費了大量的人力和物力。在鐵路運輸日益繁忙的情況下，按照傳統(tǒng)思路進行涂裝處理的維護措施已經(jīng)遠遠不能滿足橋面耐久性的要求。鋼橋面板的防腐已成為超大跨度橋梁亟待解決的問題。

不銹鋼板具有很好的防銹性能和耐腐蝕性能，較高的強度使得其在變形時不易破裂。另外，不銹鋼板具有較好的耐高低溫等特性。因此，為解決橋面的銹蝕問題，研究人員提出采用不銹鋼復合鋼板。依據(jù)生產(chǎn)工藝，復合鋼板可分為爆炸復合和熱軋復合。爆炸復合是將不銹鋼板重疊在碳鋼基板上，利用爆炸時產(chǎn)生的高溫高壓將2種材料固相焊接。熱軋復合是將基板和不銹鋼板處于物理純凈狀態(tài)，在高度真空條件下軋制而成。不銹鋼復合鋼板在我國壓力容器、海水淡化設備等領域已經(jīng)得到了廣泛的應用，關于不銹鋼復合鋼板的機械性能、焊接性能等相關規(guī)范提出了具體要求[1-5]。

國內大型鋼橋整體橋面主要采用正交異性鋼橋面，并在橋面上設置混凝土道砟槽板。由于橋面直接承受列車荷載，且為施工、日常檢修人員的基本工作平臺，因此橋面極易出現(xiàn)疲勞破壞。對于不銹鋼復合鋼板連接的疲勞研究較少，因此本文主要針對不銹鋼復合橋面的連接開展疲勞試驗。

1 疲勞試件

根據(jù)大跨度鋼橋橋面的構造細節(jié)，對不銹鋼復合鋼鋼板在鋼橋橋面上使用中普遍存在的3種構造細節(jié)進行疲勞試驗，試件具體情況如下：

1)1號試件為不銹鋼復合鋼板與普通鋼板的對接焊縫構造，以模擬不銹鋼復合鋼板與橋面邊緣普通鋼板部位的焊接構造，采用單面焊雙面成型工藝，見圖1。

圖1 不銹鋼復合鋼板與普通鋼板對接焊縫構造

2)2號試件為不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造，以模擬(20+3)mm不銹鋼復合鋼板與(16+3)mm不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造，見圖2。

圖2 不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造

3)3號試件為不銹鋼復合橋面?zhèn)冗呍O置排水孔，以模擬排水孔水平伸入擋砟墻。試件設計時將擋砟墻橫焊在試板上，在擋砟墻上開槽形成排水通道，焊接材料為不銹鋼焊材，見圖3。

圖3 不銹鋼復合橋面?zhèn)冗呍O置排水孔

疲勞試件中普通鋼板采用Q370qE，不銹鋼復合鋼板采用316L。

2 有限元分析

為研究試件應力分布情況，同時校對試驗荷載，采用ANSYS 14.5空間有限元軟件對試件進行了應力集中分析。計算模型的加載工況和試件尺寸與實際完全相同，且模型中未考慮焊縫的影響。計算采用Solid185號8節(jié)點六面體單元，在試件一側夾頭部位施加約束，在另一側夾頭部位施加單位1的均布荷載。

1)不銹鋼復合鋼板與普通鋼板對接焊縫構造

1號試件焊接時在碳鋼基板側對齊，在對接焊縫碳鋼基板上襯陶質襯墊，采用單面焊雙面成型工藝。1號試件應力集中系數(shù)見圖4?？芍l(fā)生最大應力集中的部位在試件的對接焊縫處，應力集中系數(shù)為3.10。

圖4 1號試件應力集中系數(shù)

2)不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造

2號試件焊接時在不銹鋼復合鋼板一側對齊，在對接焊縫碳鋼基板上襯陶質襯墊，采用單面焊雙面成型工藝。2號試件應力集中系數(shù)見圖5。可知，發(fā)生最大應力集中的部位在試件的對接焊縫處，應力集中系數(shù)為4.034。

圖5 2號試件應力集中系數(shù)

3)不銹鋼復合橋面?zhèn)冗呍O置排水孔

3號試件焊接時先在擋砟槽板不銹鋼復合鋼層上開坡口，將擋砟槽板的不銹鋼復合鋼層與不銹鋼復合鋼板焊接，再將擋砟槽板的基板與不銹鋼復合鋼板焊接。3號試件應力集中系數(shù)見圖6?？芍?，發(fā)生最大應力集中的部位在試件夾頭部位的圓弧拐角處，為2.027;擋砟墻板與試件連接部位的應力集中系數(shù)也比較大，為1.760。

圖6 3號試件應力集中系數(shù)

3 疲勞試驗

疲勞試驗在中國鐵道科學研究院高速鐵路橋梁工程重點試驗室進行。疲勞試驗機為 2 000 kN 液壓伺服疲勞試驗機，其最大拉、壓力為±2 000 kN，活塞最大行程為±135 mm，試件最大跨度可達5 m，基礎能夠承受的最大彎矩為±600 kN·m。依據(jù)《鐵路鋼橋連接疲勞試驗方法》(TB/T 2349—2016)[6]進行疲勞試驗，見圖7。

圖7 疲勞試驗

1)不銹鋼復合鋼板與普通鋼板對接焊縫構造

對5個爆破不銹鋼復合鋼板試件和9個熱軋不銹鋼復合鋼板試件進行了疲勞試驗，14個試件中有13個發(fā)生了疲勞斷裂，所有疲勞斷裂試件的破壞截面均在對接焊縫的焊趾部位，各試件的起裂部位均在碳鋼基板側。

將爆破不銹鋼復合鋼板試件的疲勞試驗結果進行回歸并擬合為曲線方程，如下

lgN=17.163 2-5.103lgσ

(1)

式中：N為疲勞循環(huán)次數(shù)；σ為疲勞應力幅。

相關系數(shù)γ=-0.908 1，均方差S=0.220 4，取97.7%保證率，減去2個標準差，則曲線方程為

lgN=16.722 4-5.103lgσ

(2)

將熱軋不銹鋼復合鋼板試件的疲勞試驗結果進行回歸并擬合為曲線方程，如下

lgN= 16.407 6-4.834 2lgσ

(3)

相關系數(shù)γ=-0.933 4，均方差S=0.164 2，取97.7%保證率，減去2個標準差，則曲線方程為

lgN=16.079 2-4.834 2lgσ

(4)

式(1)—式(4)中200萬次的疲勞應力幅分別為134.5，110.2，123.2，105.4 MPa。

1號試件疲勞試驗結果見圖8?？芍?，采用爆破復合或熱軋復合對對接接頭的疲勞性能影響很小，所以不銹鋼復合鋼板的加工形式對對接接頭的影響可以忽略。根據(jù)該構造的疲勞破壞特征、疲勞試驗結果和橋梁工程中一般疲勞設計曲線斜率的歸類規(guī)律，給出1號試件疲勞曲線的推薦公式[7]，即

lgN=12.02-3.0lgσ

(5)

式(5)中200萬次的疲勞應力幅為80.6 MPa，設計曲線參見圖8。

圖8 1號試件疲勞試驗結果

2)不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造

由前述試驗結論可知，不銹鋼復合鋼板加工形式對對接接頭的影響可以忽略，所以針對不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造，全部采用熱軋不銹鋼復合鋼板進行疲勞試驗。一共進行了10個試件的疲勞試驗，除1個試件未見裂紋外，其余9個試件均發(fā)生了疲勞破壞，破壞截面均在不等厚對接焊縫焊趾部位，各試件的起裂部位均在碳鋼基板側。

將不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造的疲勞試驗結果進行回歸并擬合為曲線方程，如下

lgN= 15.037 4-4.454 1lgσ

(6)

相關系數(shù)γ=-0.936 6，均方差S=0.202 45，取97.7%保證率，減去2個標準差，則曲線方程為

lgN=14.632 5-4.454 1lgσ

(7)

式(6)—式(7)中200萬次的疲勞應力幅分別為91.5，74.2 MPa。

2號試件疲勞試驗結果見圖9，由此給出疲勞曲線的推薦公式，即

lgN=11.64-3.0lgσ

(8)

式(8)中200萬次的疲勞應力幅為60.2 MPa，設計曲線參見圖9。

圖9 2號試件疲勞試驗結果

3)不銹鋼復合橋面?zhèn)冗呍O置排水孔

對5個爆破不銹鋼復合鋼板試件和9個熱軋不銹鋼復合鋼板試件進行疲勞試驗。爆破不銹鋼復合鋼板試件和熱軋不銹鋼復合鋼板試件疲勞裂紋的起裂部位均在模擬擋砟墻附連件的角焊縫焊趾部位，但熱軋不銹鋼復合鋼板試件的起裂部位均在不銹鋼層，爆破不銹鋼復合鋼板試件的起裂部位50%在不銹鋼層，50%在碳鋼基板側。

將爆破不銹鋼復合鋼板試件的疲勞試驗結果進行回歸并擬合為曲線方程，如下

lgN=13.772 0-3.910 7lgσ

(9)

相關系數(shù)γ=-0.996 1，均方差S=0.041 6，取97.7%保證率，減去2個標準差，則曲線方程為

lgN=13.688 8-3.910 7lgσ

(10)

將熱軋不銹鋼復合鋼板試件的疲勞試驗結果進行回歸后并擬合為曲線方程，如下

lgN= 14.418 4-4.058 1lgσ

(11)

相關系數(shù)γ=-0.762 6，均方差S=0.251 5，取97.7%保證率，減去2個標準差，則曲線方程為

lgN=13.915 4-4.058 1lgσ

(12)

式(9)—式(12)中200萬次的疲勞應力幅分別為81.4，77.5，100.0，75.2 MPa。

3號試件疲勞試驗結果見圖10。可知，采用爆破復合或熱軋復合對不銹鋼復合鋼板與擋砟槽板連接部位的疲勞性能影響較小，所以不銹鋼復合鋼板的加工形式對疲勞性能的影響可以忽略。根據(jù)該構造的疲勞破壞特征、疲勞試驗結果和橋梁工程中一般疲勞設計曲線斜率的歸類規(guī)律，給出3號試件疲勞曲線的推薦公式，即

lgN=11.64-3.0lgσ

(13)

式(13)中200萬次的疲勞應力幅為60.2 MPa，設計曲線參見圖10。

圖10 3號試件疲勞試驗結果

4 結論

1)不銹鋼復合鋼板與普通鋼板對接焊縫構造疲勞裂紋的起裂部位均在碳鋼基板側；不銹鋼復合鋼板的加工形式對對接接頭的影響可以忽略。

2)不銹鋼復合鋼板不等厚對接焊縫構造疲勞裂紋的起裂部位均在碳鋼基板側。

3)采用爆破復合和熱軋復合對不銹鋼復合鋼板與擋砟槽板連接部位的疲勞性能影響較小。二者疲勞裂紋的起裂部位均在模擬擋砟墻附連件的角焊縫焊趾部位，但熱軋不銹鋼復合鋼板試件的起裂部位均在不銹鋼層，爆破不銹鋼復合鋼板試件的起裂部位50%在不銹鋼層，50%在碳鋼基板側。

[1]王偉濱,劉桂雙.不銹鋼復合板過渡層的焊接[J].化工裝備技術,2005,26(2):43-44.

[2]牟君,徐東明.復合不銹鋼橋面板及焊接[J].煤礦機械,2004,16(3):86-88.

[3]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 16957—2012 復合鋼板 焊接接頭力學性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社，2013.

[4]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 8165—2008 不銹鋼復合鋼板和鋼帶[S].北京:中國標準出版社.2008.

[5]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 13140—2008 不銹鋼復合鋼板焊接技術要求[S].北京:中國標準出版社.2009.

[6]國家鐵路局.TB/T 2349—2016 鐵路鋼橋連接疲勞試驗方法[S].北京:中國鐵道出版社,2016.

[7]國家鐵路局.TB 10091—2017 鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2017.