王 麗,趙欣欣

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

隨著我國(guó)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，數(shù)座跨越長(zhǎng)江、黃河的大跨度鐵路鋼橋相繼落成。這些橋梁大體可分為梁拱體系和梁索體系，當(dāng)跨度<400 m時(shí)，結(jié)構(gòu)形式以鋼桁拱橋?yàn)橹?，如南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋；當(dāng)跨度>400 m時(shí)，結(jié)構(gòu)形式以斜拉橋?yàn)橹?，如滬通鐵路長(zhǎng)江大橋。主梁均采用2片或3片主桁的鋼桁梁結(jié)構(gòu)。為滿(mǎn)足多線(xiàn)鐵路高速行車(chē)以及公鐵路合建的要求，新建大跨度鋼橋采用了大量的新材料、新構(gòu)造和新工藝，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，其關(guān)鍵構(gòu)造的疲勞性能就成為學(xué)界的研究熱點(diǎn)。對(duì)于有些在設(shè)計(jì)中疲勞強(qiáng)度較低但又無(wú)法避免的構(gòu)造細(xì)節(jié)，采取超聲波錘擊的方法以改善疲勞性能成為大跨度鋼橋建設(shè)中首選方案。本文研究針對(duì)十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)和焊接蓋板構(gòu)造2種新型構(gòu)造細(xì)節(jié)，開(kāi)展超聲波錘擊對(duì)其疲勞性能的影響試驗(yàn)，為新建大跨度鋼橋新型構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范規(guī)定

1.1 十字形熔透焊接構(gòu)造

歐洲規(guī)范Eurocode 3[1]中對(duì)于十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)分為多種不同板厚組合的情況。美國(guó)規(guī)范AREMA(2010)[2]中對(duì)十字形焊接構(gòu)造的焊縫是否熔透未予區(qū)分，2種構(gòu)造均采用同一等級(jí)的疲勞強(qiáng)度。我國(guó)TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中對(duì)十字形熔透焊接(傳力型)構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度未予規(guī)定。我國(guó)鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]與美國(guó)規(guī)范相同，對(duì)十字形焊接接頭是否熔透也未予區(qū)分，統(tǒng)一規(guī)定其200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度為65 MPa。事實(shí)上這是不合理的，非熔透十字形焊接構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度較低，這一點(diǎn)已經(jīng)在相關(guān)研究中予以驗(yàn)證[5]，其試驗(yàn)200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度僅為50.8 MPa，用于設(shè)計(jì)時(shí)還需進(jìn)行一定的折減。Eurocode 3中非熔透十字形焊接(傳力型)構(gòu)造的200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度僅為36 MPa。各國(guó)規(guī)范該類(lèi)構(gòu)造的S-N曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。其中Eurocode 3中選擇80 MPa等級(jí)的同類(lèi)構(gòu)造進(jìn)行比較，這是因?yàn)樵摰燃?jí)是鋼橋構(gòu)造中常見(jiàn)的尺寸。 AS 5100是澳大利亞橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[6]。

圖1 各國(guó)規(guī)范中十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)的S-N曲線(xiàn)

從圖1中可以看出：200萬(wàn)次及以下疲勞強(qiáng)度最大的是AREMA，其次是Eurocode 3,AS 5100，我國(guó)橋檢規(guī)最小。AREMA未對(duì)200萬(wàn)次以后的疲勞曲線(xiàn)予以規(guī)定，僅規(guī)定了超過(guò)200萬(wàn)次后采用的截止限值，圖中按此處理。AS 5100對(duì)于長(zhǎng)壽命周期的規(guī)定與Eurocode 3相同。我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于長(zhǎng)壽命周期的疲勞強(qiáng)度未作規(guī)定，繪制本圖時(shí)參考Eurocode 3的規(guī)定執(zhí)行。AS 5100,Eurocode 3和我國(guó)規(guī)范的疲勞曲線(xiàn)規(guī)律相同。

1.2 焊接蓋板構(gòu)造

Eurocode 3和AREMA對(duì)于焊接蓋板構(gòu)造疲勞強(qiáng)度的規(guī)定依據(jù)不同的板厚組合分為不同的情況。各國(guó)規(guī)范中該類(lèi)構(gòu)造的S-N曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 各國(guó)規(guī)范中蓋板焊縫構(gòu)造的S-N曲線(xiàn)

從圖2中可以看出：各國(guó)規(guī)范對(duì)于蓋板焊縫構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度規(guī)定相差較大，200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度從36 MPa 變化至80 MPa，其中我國(guó)規(guī)范值明顯高于其他國(guó)家。

2 疲勞試件設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主桁節(jié)點(diǎn)作為鋼桁梁關(guān)鍵受力、傳力部位，受力較大且較為復(fù)雜，其上各種構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能需要予以特別關(guān)注[7]。以往的大跨度斜拉橋?qū)τ谡w節(jié)點(diǎn)的處理方式是：節(jié)點(diǎn)板整體穿過(guò)弦桿頂(底)板，節(jié)點(diǎn)板與弦桿頂(底)板之間采用塞焊的方式，這種構(gòu)造的疲勞性能在以往的疲勞試驗(yàn)中已經(jīng)得到驗(yàn)證。近年來(lái)，產(chǎn)生了一種新型處理方法，即將節(jié)點(diǎn)板在下弦頂板部位斷開(kāi)，通過(guò)熔透焊分別接于下弦頂板的上下兩側(cè)。Eurocode 3和AREMA中對(duì)該構(gòu)造分別承受豎向力和縱向力時(shí)，不同板厚組合情況的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定。我國(guó)規(guī)范TB 10002.2—2005中未對(duì)該類(lèi)構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行規(guī)定。

對(duì)于跨度較大的斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，傳統(tǒng)的處理方式是斜拉索通過(guò)錨拉板在弦桿外部與弦桿相連。近年來(lái)由于有些橋梁受空間限制等，部分斜拉橋的斜拉索錨固于弦桿內(nèi)部，在斜拉索穿出弦桿部位通過(guò)焊接蓋板對(duì)弦桿局部進(jìn)行加強(qiáng)。Eurocode 3和AREMA分別對(duì)不同板厚組合下相似的該類(lèi)構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定，在數(shù)值上均小于我國(guó)規(guī)范。我國(guó)規(guī)范TB10002.2—2005中該構(gòu)造的疲勞曲線(xiàn)是根據(jù)板梁在受彎狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)制定的。該構(gòu)造位于斜拉橋的弦桿上，承受著較大的全截面軸向拉應(yīng)力，而一般來(lái)說(shuō)，全截面受拉的疲勞性能比受彎的情況更為不利。

鑒于上述情況，設(shè)計(jì)了十字形熔透焊接試件(傳力型)和焊接蓋板試件，對(duì)其進(jìn)行原試件和超聲波錘擊試件的疲勞試驗(yàn)[8]。目的是：①掌握2種構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能，提出疲勞抗力設(shè)計(jì)指標(biāo)；②掌握超聲波錘擊對(duì)于其疲勞性能的影響，為大跨度鋼橋的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。試件設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 試件設(shè)計(jì)(單位：mm)

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的日本鷺宮±2 000 kN 液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

由于試件均為焊接構(gòu)造，疲勞僅與施加的荷載幅值有關(guān)，同時(shí)為使施加的荷載不引起加載設(shè)備反向，產(chǎn)生不必要的誤差，在本次疲勞試驗(yàn)中各試件加載均采用拉-拉循環(huán)加載。發(fā)現(xiàn)裂紋后，定時(shí)記錄裂紋擴(kuò)展情況和對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)，繼續(xù)疲勞加載至試件斷裂[9]。最終記錄的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以試件斷裂時(shí)的次數(shù)為準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)分析的加載應(yīng)力幅為試件的名義應(yīng)力幅，依據(jù)試件破壞截面的公稱(chēng)尺寸計(jì)算。

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 十字形熔透焊接構(gòu)造

對(duì)于十字形熔透焊接構(gòu)造共進(jìn)行了7個(gè)原試件、3個(gè)超聲波錘擊試件的疲勞試驗(yàn)。試件均在受力板焊趾處斷裂，如圖4，典型斷口照片如圖5。錘擊與否對(duì)斷裂位置和斷口形式基本沒(méi)有影響。

圖4 試件斷裂位置圖5 試件斷口

2類(lèi)試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。圖中“超”表示試件經(jīng)過(guò)超聲波錘擊。

圖6 十字形熔透焊接試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)7個(gè)原試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗(yàn)回歸曲線(xiàn)為

lgN=12.301-3.005lgσ

(1)

式中：N為疲勞循環(huán)次數(shù);σ為疲勞應(yīng)力幅。式(1)中200萬(wàn)次的疲勞應(yīng)力幅為99.19 MPa。

對(duì)3個(gè)超聲波錘擊試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗(yàn)回歸曲線(xiàn)為

lgN=26.238-8.561lgσ

(2)

式(2)中200萬(wàn)次的疲勞應(yīng)力幅為213.19 MPa。

可以看出，對(duì)于十字形熔透焊接試件，超聲波錘擊后200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度是原試件的2.1倍。同時(shí)與S-N曲線(xiàn)斜率相關(guān)的m值從3.005增加到了8.561，曲線(xiàn)的斜率明顯減小。該現(xiàn)象表明構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力幅越小超聲波錘擊對(duì)其改善效果越明顯,構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力幅越大超聲波錘擊對(duì)其改善效果越不明顯。對(duì)于本試件，當(dāng)名義應(yīng)力幅達(dá)到298.3 MPa、對(duì)應(yīng)次數(shù)為 115 213 次時(shí)，超聲波錘擊對(duì)其疲勞性能沒(méi)有改善。

3.2.2 焊接蓋板構(gòu)造

圖7 原試件斷裂位置

對(duì)于焊接蓋板構(gòu)造共進(jìn)行了6個(gè)原試件、3個(gè)超聲波錘擊試件的疲勞試驗(yàn)。原試件均從橢圓形蓋板長(zhǎng)軸端部焊趾處起裂，之后沿著焊趾發(fā)展到一定程度后，轉(zhuǎn)而沿著水平方向發(fā)展，直至斷裂，如圖7。超聲波錘擊后試件的斷裂位置較為離散，有的從試件中部位置處斷裂，有的從蓋板端部焊趾處斷裂，有的從夾持部位斷裂?？梢钥闯?，錘擊與否對(duì)該試件的斷裂位置有一定影響。

2類(lèi)試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 焊接蓋板試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)6個(gè)原試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗(yàn)回歸曲線(xiàn)為

lgN=12.695-3.441lgσ

(3)

式(3)中200萬(wàn)次的疲勞應(yīng)力幅為72.16 MPa。

對(duì)3個(gè)超聲波錘擊試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗(yàn)回歸曲線(xiàn)為

lgN=19.773-6.098lgσ

(4)

式(4)中200萬(wàn)次的疲勞應(yīng)力幅為161.94 MPa。

可以看出，對(duì)于焊接蓋板試件，其試驗(yàn)200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度介于我國(guó)橋檢規(guī)的上下限之間，與設(shè)計(jì)規(guī)范較為接近。按照一般設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度的制定方法，在納入規(guī)范時(shí)應(yīng)在試驗(yàn)值的基礎(chǔ)上考慮不可預(yù)見(jiàn)的因素，將試驗(yàn)值適當(dāng)降低來(lái)作為設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度?？傮w來(lái)說(shuō)，該構(gòu)造疲勞強(qiáng)度較低，建議進(jìn)行超聲波錘擊。超聲波錘擊后200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度是原試件的2.2倍。同時(shí)與S-N曲線(xiàn)斜率相關(guān)的m值從3.005增加到了6.098，曲線(xiàn)的斜率明顯減小。這一規(guī)律與十字形熔透焊接(傳力型)構(gòu)造錘擊后的疲勞性能是相同的。對(duì)于本試件，當(dāng)名義應(yīng)力幅達(dá)到401.0 MPa、對(duì)應(yīng)次數(shù)為 8 000 次時(shí)，超聲波錘擊對(duì)其疲勞性能沒(méi)有改善。

4 結(jié)論和建議

1)對(duì)十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)和焊接蓋板構(gòu)造2種構(gòu)造細(xì)節(jié)開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，掌握了其疲勞破壞方式，制定了疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線(xiàn)。對(duì)于焊接蓋板構(gòu)造，綜合試驗(yàn)結(jié)果和國(guó)內(nèi)外規(guī)范，該構(gòu)造疲勞強(qiáng)度相對(duì)偏低，因此建議對(duì)橢圓形蓋板長(zhǎng)軸焊趾端部一定范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波錘擊，以改善其疲勞性能。

2)超聲波錘擊對(duì)于構(gòu)造細(xì)節(jié)的200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度有較大程度的提高，2種構(gòu)造細(xì)節(jié)在錘擊后疲勞強(qiáng)度為原試件的2倍以上；但是超聲波錘擊后S-N曲線(xiàn)斜率明顯減小，當(dāng)應(yīng)力幅越來(lái)越大時(shí)，超聲波錘擊對(duì)疲勞性能的改善越來(lái)越不明顯，即超聲波錘擊并不是在任何狀態(tài)下都能改善構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能。這與以往對(duì)于超聲波錘擊能夠改善疲勞性能的籠統(tǒng)認(rèn)識(shí)是不同的。由這種趨勢(shì)可知，當(dāng)外加應(yīng)力幅增大到一定程度時(shí)，超聲波錘擊不會(huì)改善構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能。這一點(diǎn)在以往的研究中也得到過(guò)證實(shí)。

3)超聲波錘擊改善疲勞強(qiáng)度的原理是通過(guò)錘擊使焊接部位產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，定性來(lái)說(shuō)，當(dāng)外加應(yīng)力幅較小時(shí)，該部位仍處于受壓狀態(tài)，有效改善了其疲勞性能；當(dāng)外加應(yīng)力幅增大到一定程度時(shí)，克服了殘余壓應(yīng)力，使該部位處于受拉狀態(tài)，因此疲勞性能改善不明顯。在今后的研究中，應(yīng)對(duì)超聲波錘擊前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，以便定量地解釋這一現(xiàn)象，為制定合理的超聲波錘擊工藝提供依據(jù)。

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