王 霆,肖 林,岳奕町,李小珍

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,南京 210017； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

相較于普通節(jié)點(diǎn)，整體節(jié)點(diǎn)剛度更大、現(xiàn)場拼裝工作量小，近年來得到深入研究并在新建大跨度鋼橋中廣泛應(yīng)用[1-6]。整體節(jié)點(diǎn)中存在大量焊縫，加之荷載較大、受力復(fù)雜，其疲勞性能受到廣泛關(guān)注并進(jìn)行了大量研究[7-13]。從既有研究成果看，整體節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)板與平聯(lián)或橫梁板件連接處是整體節(jié)點(diǎn)疲勞性能的薄弱環(huán)節(jié)，但因整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式對(duì)其疲勞性能影響較大，不同橋梁中整體節(jié)點(diǎn)的疲勞性能仍有必要深入研究。

南京大勝關(guān)大橋承載兩線滬蓉鐵路、兩線高速鐵路。此外，兩邊桁的外側(cè)各外挑5.2 m懸臂托架，支撐南京地鐵軌道交通。輕軌托架采用高強(qiáng)螺栓與下弦節(jié)點(diǎn)引出板連接，節(jié)點(diǎn)引出板與下弦整體節(jié)點(diǎn)通過角焊縫連接(圖1)。輕軌中心線距離節(jié)點(diǎn)中心線3.2 m，輕軌結(jié)構(gòu)的自重、輕軌列車荷載引起的節(jié)點(diǎn)荷載較大。

圖1 輕軌托架構(gòu)造(單位：mm)

在列車活載作用下，南京大勝關(guān)大橋軌道交通托架上翼緣、上翼緣與節(jié)點(diǎn)連接角焊縫以及節(jié)點(diǎn)板的疲勞應(yīng)力幅較大，其疲勞性能值得關(guān)注；此外，托架結(jié)構(gòu)高腹板的穩(wěn)定性也會(huì)影響行車安全[14-17]?，F(xiàn)采用試驗(yàn)與分析相結(jié)合的方法，對(duì)輕軌托架與主桁節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造的疲勞性能及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

實(shí)橋托架結(jié)構(gòu)尺寸與荷載均較大，難以進(jìn)行疲勞加載?？紤]該結(jié)構(gòu)疲勞薄弱環(huán)節(jié)為托架上翼緣受拉區(qū)域(圖1虛線框內(nèi))，按照應(yīng)力等效原則設(shè)計(jì)該節(jié)點(diǎn)上翼緣區(qū)域的縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀；谑ゾS南原理，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ǎ赫w節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)引出板及托架橫梁。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室場地條件與加載能力，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比例取1∶2。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能主要取決于焊縫的細(xì)節(jié)，為保持各焊縫焊接細(xì)節(jié)與實(shí)橋一致，各板件厚度與實(shí)橋一致，而板件寬(高)取實(shí)橋的1/4。試驗(yàn)?zāi)Ｐ退娩摬?、焊材以及焊接工藝均與實(shí)橋結(jié)構(gòu)一致。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造見圖2。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造(單位：mm)

試驗(yàn)加載時(shí)將模型倒置，整體節(jié)點(diǎn)部分通過螺桿錨固在地面，在托架橫梁左端經(jīng)連接柱與MTS作動(dòng)器相連，通過MTS施加正弦疲勞荷載。試驗(yàn)加載布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d

1.2 疲勞試驗(yàn)荷載

首先，通過全橋桿系有限元分析得到了輕軌托架與整體節(jié)點(diǎn)連接處的彎矩及剪力時(shí)間歷程曲線，如圖4所示。

圖4 托架節(jié)點(diǎn)內(nèi)力歷程曲線

該軌道交通線路的設(shè)計(jì)壽命為100年，列車運(yùn)營時(shí)間區(qū)段為每日早6:00～凌晨0:00，按遠(yuǎn)期運(yùn)營情況保守處理取最小發(fā)車時(shí)間間隔為2 min，由此得到設(shè)計(jì)期內(nèi)該結(jié)構(gòu)的列車通過次數(shù)為1 971萬次。結(jié)合設(shè)計(jì)期內(nèi)列車通過次數(shù)，得到托架橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接處的內(nèi)力頻值譜，其值如表1所示。

根據(jù)Miner線性損傷理論，將前面得到的內(nèi)力頻值譜中的變幅內(nèi)力幅值ΔMi等效為常幅內(nèi)力幅值ΔM0

(1)

式中，ΔM0為等效常幅循環(huán)內(nèi)力幅；ΔMi為表1所示內(nèi)力頻值譜中的各水平內(nèi)力幅值；Σni為與內(nèi)力幅值ΔMi對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)期內(nèi)內(nèi)力幅循環(huán)作用次數(shù)；m為疲勞曲線S-N的斜率，參考Eurocode3[18]取m=3。通過式(1)將變幅內(nèi)力幅值轉(zhuǎn)換為200萬循環(huán)作用次數(shù)下的等效常幅剪力為1 523.1 kN，等效常幅彎矩為4 744.9 kN·m。

表1 托架與整體節(jié)點(diǎn)連接處的內(nèi)力頻值譜

1.3 測點(diǎn)布置

在疲勞試驗(yàn)中，通過鋼結(jié)構(gòu)表面布置的電阻應(yīng)變片對(duì)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖5所示。圖5中共分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)，在A、B區(qū)測點(diǎn)布置應(yīng)變花，C、D區(qū)測點(diǎn)布置單向應(yīng)變片。

圖5 應(yīng)變測點(diǎn)布置(部分)

1.4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過不同疲勞加載次數(shù)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，可從微觀上了解結(jié)構(gòu)可能存在的疲勞損傷情況。圖6、圖7反映了部分測點(diǎn)在不同加載次數(shù)下的應(yīng)力測試結(jié)果。由圖6、圖7可見，隨著疲勞加載次數(shù)的增大，托架加腋板與節(jié)點(diǎn)板連接焊縫周邊測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線的斜率發(fā)生變化，測點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生重分布。應(yīng)力分析結(jié)果表明，該區(qū)域是疲勞易損部位，應(yīng)力重分布的原因可能是測點(diǎn)附近疲勞損傷，或疲勞應(yīng)力幅疊加焊接殘余應(yīng)力后導(dǎo)致測點(diǎn)周邊發(fā)生塑性變形。

圖6 測點(diǎn)A12在不同荷載次數(shù)下的應(yīng)變-荷載曲線

圖7 測點(diǎn)A71在不同荷載次數(shù)下的應(yīng)變-荷載曲線

在疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，檢查試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀窗l(fā)現(xiàn)宏觀裂紋。在加載過程中，相同荷載下加載端的撓度穩(wěn)定在4.14 mm左右，表明加載過程中結(jié)構(gòu)剛度變化不大，可以預(yù)測在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)該構(gòu)造不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

疲勞試驗(yàn)中測得托架翼緣加腋板與節(jié)點(diǎn)連接角焊縫的焊腳外側(cè)20 mm處(A43測點(diǎn))的最大疲勞應(yīng)力幅為76.28 MPa，有限元分析得到該點(diǎn)的正應(yīng)力幅為80.8 MPa。此細(xì)節(jié)屬于T形對(duì)接角焊縫，按照TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]規(guī)定，其疲勞抗力為78 MPa，可見其疲勞抗力滿足規(guī)范要求。

2 托架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

托架采用焊接工字形截面，腹板高度為2.268 m且板件厚度較小，其穩(wěn)定性需加以研究，對(duì)其在彎、剪耦合作用下的極限承載力進(jìn)行了非線性有限元分析。

2.1 有限元模型

采用ABAQUS建立輕軌托架與節(jié)點(diǎn)的三維非線性有限元分析模型。建立的三維模型如圖8(a)所示，有限元模型采用實(shí)體單元C3D8，共618845個(gè)單元。在有限元模型中對(duì)其邊桁下弦桿及邊桁架豎桿斷面施加三個(gè)方向的平動(dòng)位移約束，如圖8(b)所示。

圖8 有限元分析模型

2.2 穩(wěn)定分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題可分為分支點(diǎn)失穩(wěn)或極值點(diǎn)失穩(wěn)，實(shí)際結(jié)構(gòu)由于存在初始缺陷，其穩(wěn)定問題屬極值點(diǎn)失穩(wěn)[20]。在分析中考慮材料非線性、結(jié)構(gòu)非線性及初始缺陷，求解結(jié)構(gòu)的極限承載力或穩(wěn)定系數(shù)。分析荷載包括：自重+二恒(軌道板等自重)+輕軌縱梁自重+活載最大彎矩組合。

圖9給出了結(jié)構(gòu)的荷載比例系數(shù)曲線。由圖9可知，曲線在LPF(荷載比例系數(shù))=2.877時(shí)斜率幾乎趨近于0，將發(fā)生極值點(diǎn)失穩(wěn)。圖9也反映了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過程中由彈性向塑性行為轉(zhuǎn)變的過程。

圖10給出了2.877倍分析荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生極值點(diǎn)失穩(wěn)時(shí)的變形情況。由圖10可見，托架腹板在荷載作用下發(fā)生較大外鼓變形，最大值達(dá)到51 mm，從而導(dǎo)致整個(gè)托架發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn)。腹板的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由于失穩(wěn)系數(shù)高達(dá)2.877，托架結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性。

圖10 極值點(diǎn)失穩(wěn)變形情況(單位：mm)

3 結(jié)論

針對(duì)在鋼桁梁整體節(jié)點(diǎn)外懸挑托架承載軌道交通的新結(jié)構(gòu)形式，采用疲勞試驗(yàn)及有限元分析對(duì)大勝關(guān)大橋輕軌托架與整體節(jié)點(diǎn)連接的疲勞性能及托架穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)論如下。

(1)在設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)，托架與整體節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造不會(huì)發(fā)生疲勞開裂，疲勞荷載作用導(dǎo)致疲勞易損區(qū)域應(yīng)力分布發(fā)生變化，但未危及結(jié)構(gòu)安全，其疲勞壽命滿足規(guī)范要求。

(2)托架腹板是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié)，但在設(shè)計(jì)荷載下具有足夠的穩(wěn)定系數(shù)。