黃鶴， 秦攀

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430052)

正交異性板鋼桁結(jié)合梁結(jié)構(gòu)自重較輕，其自重僅為同體積PC梁的1/5，因此對于跨度較大且對自重要求較高的橋梁，正交異性板鋼桁結(jié)合梁是一種極具優(yōu)勢的構(gòu)造形式。正交異性板鋼桁梁制造工藝主要由縱肋及各桁架結(jié)構(gòu)與橋面蓋板焊接而成，在橋梁運(yùn)營過程中，由于其構(gòu)造細(xì)節(jié)及節(jié)點(diǎn)多，各焊接連接部位的受力情況復(fù)雜，因此對于其構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的研究十分必要。肖林，劉麗芳[1]等采用XFEM(擴(kuò)展有限元法)，在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，對過焊孔構(gòu)造細(xì)節(jié)的裂紋擴(kuò)展過程中的疲勞壽命進(jìn)行了評估，得出翼緣板與腹板交界處的焊縫較薄弱的結(jié)論；葉星漢、曹一山[2]等制作了正交異性鋼板U肋與蓋板的試件，并對焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對其疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測與評估，結(jié)果顯示U肋與蓋板在循環(huán)加載下出現(xiàn)裂紋，裂紋在初期緩慢擴(kuò)展，當(dāng)裂紋的路徑通過蓋板后加速擴(kuò)展；崔麗君、于瑾[3]等利用Ansys建立了梁柱節(jié)點(diǎn)的焊接模型，并通過熱彈塑性理論，給出了該構(gòu)件溫度場下的殘余應(yīng)力；張清華、羅鵬軍[4]等設(shè)計(jì)了7組試件對鐓邊縱肋與頂板焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，試驗(yàn)證明這一新型構(gòu)造細(xì)節(jié)在抗疲勞方面無明顯改善；廖小偉、王元清[5]等利用自己編寫的S-N曲線的疲勞評估程序，對鋼橋的3種焊接細(xì)節(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)，并采用Abaqus驗(yàn)證了該程序?qū)τ阡摌蚝附悠谠u估是可行的；Ali,ShahramShahrooi[6]等用無網(wǎng)格局部Petrov-Galerkin方法預(yù)測了焊接殘余應(yīng)力場中的疲勞裂紋擴(kuò)展；AraqueOscar、Arzola Nelson[7]等利用Ansys建立模型研究了對接焊接接頭試樣在軸向力作用下產(chǎn)生疲勞從而引起的裂紋行為，并通過計(jì)算裂紋前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子，得出由于幾何應(yīng)力的集中效應(yīng)，使得位于焊趾中的應(yīng)力與焊接鋼筋的尺寸成比例的最大化；Giovanni Meneghetti、Alberto Campagnolo[8]等采用峰值應(yīng)力法對焊接接頭進(jìn)行了疲勞設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性；Krzysztof[9]通過試驗(yàn)研究了采用一種新型焊接技術(shù)制造的弧焊接頭的疲勞特性；Timothy D. Righiniotis、MariosK[10]等研究了概率斷裂力學(xué)方法在橋梁譜加載下裂縫存在下預(yù)測焊接鋼細(xì)節(jié)疲勞壽命的應(yīng)用，基于模擬疲勞裂紋擴(kuò)展的雙線性關(guān)系，并結(jié)合了破壞標(biāo)準(zhǔn)來描述裂縫和塑性坍塌之間的相互作用?？梢妵鴥?nèi)外學(xué)者對于焊接疲勞特性進(jìn)行了大量研究，開辟了一系列的理論方法，但是對于正交異性板鋼桁結(jié)合梁構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞研究則較少。金正凱、卜之一[11]等基于Kriging方法，建立某正交異性板鋼橋面板模型，并對其進(jìn)行了抗疲勞參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；王會利、秦泗鳳[12]針對大連星海灣大橋的雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并建立了有限元模型進(jìn)行對比，結(jié)果表明：大部分節(jié)點(diǎn)的疲勞容許應(yīng)力都低于試驗(yàn)值；周細(xì)輝、黃坤[13]利用Ansys對鋼橋面板縱肋對接焊縫的疲勞裂紋進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展特性研究，通過計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子研究了裂紋擴(kuò)展過程中的規(guī)律。

該文以某正交異性板鋼桁結(jié)合梁為背景，制作了該橋3處典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的試件，并對這3個試件設(shè)計(jì)了靜載試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)，將試驗(yàn)與有限元分析相互結(jié)合，分析這3種細(xì)節(jié)的疲勞性能，并將試驗(yàn)分析結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)，及時修正該橋制造中的部分構(gòu)造細(xì)節(jié)。

1 疲勞試件設(shè)計(jì)與制造

根據(jù)實(shí)橋情況分別設(shè)計(jì)了該橋構(gòu)造細(xì)節(jié)的3組試件，3組試件分別對應(yīng)實(shí)橋中橋面板工地焊接采用的碼板、U肋與橫隔板及橋面板焊接構(gòu)造、橋面板與橫隔板及U肋交叉焊縫構(gòu)造，將3組試件編號為H3、H4、H5，焊接試件的主要材質(zhì)為Q370qE鋼，試件采用與實(shí)際橋梁一致的制作工藝，其中H3號試件全長960 mm，最大寬度250 mm，厚度24 mm；H4號試件長度564 mm，最大寬度306 mm，焊孔直徑18 mm；H5號試件長度858 mm，最大寬度378 mm，焊孔直徑24 mm，焊接材料均采用Supercored71H(藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊)，3種試件設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 3種試件設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

2 理論計(jì)算與靜載試驗(yàn)

2.1 理論計(jì)算

H3號試件模擬橋面板工地焊接采用碼板的構(gòu)造細(xì)節(jié)，該試件焊接碼板后，將碼板鏟掉，重新打磨平順，計(jì)算采用Solid45八節(jié)點(diǎn)六面體單元，共劃分800個單元，1 422個節(jié)點(diǎn)，由于碼板是用于連接橋面板的臨時構(gòu)件，因此將試件的一端采用固定約束，即約束x、y、z方向的位移和轉(zhuǎn)角，在另一端施加單位400 kN的均布荷載，用于模擬碼板軸向受拉的危險應(yīng)力狀態(tài)。H4號試件通過開圓孔避免焊縫交叉，計(jì)算采用Solid45八節(jié)點(diǎn)六面體單元，模型共劃分9 518個單元，14 805個節(jié)點(diǎn)，在試件底部施加固定約束，在頂部施加單位400 kN的均布拉力，用以模擬汽車移動荷載施加到橋上時，橋面板因整體和局部變形在橫隔板和橋面板焊縫上產(chǎn)生的作用。H5號試件模擬橋面板與橫隔板及U肋交叉焊縫并在橫隔板與U形肋焊接處開孔，試件計(jì)算采用Solid45八節(jié)點(diǎn)六面體單元，模型共劃分3 847個單元，6 839個節(jié)點(diǎn)，在試件底部施加固定約束，在開孔兩側(cè)加載部位施加單位200 kN的均布壓力，用以模擬橋面板在局部荷載作用下產(chǎn)生面外變形，導(dǎo)致橫隔板與U肋焊接處產(chǎn)生相對位移而導(dǎo)致的危險應(yīng)力狀態(tài)，3種試件有限元模型及網(wǎng)格劃分情況見圖2。

圖2 3種試件網(wǎng)格劃分

在施加約束和荷載的條件下進(jìn)行求解，所得Mises應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

從圖3可以看出：H3號試件發(fā)生應(yīng)力集中的部位為試件圓弧區(qū)域向中間靠近的部分，最大應(yīng)力為244.08 MPa；H4號試件最大應(yīng)力為348.45 MPa，應(yīng)力集中位置主要在U形肋與橋面板焊接處；H5號試件最大應(yīng)力為521.53 MPa，發(fā)生在加載處的底部，同時橫隔板圓弧處也有很大應(yīng)力集中，橫隔板與U形肋焊接部位應(yīng)力不大，比較大的正拉力主要集中在從橫隔板圓弧缺口處放射出去的一片區(qū)域。

圖3 3種試件Mises應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

2.2 靜載試驗(yàn)

為了保證后續(xù)試驗(yàn)中疲勞加載裝置的正常運(yùn)行以及了解試件進(jìn)行疲勞加載時的應(yīng)力分布狀態(tài)，利用結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī)對3組試件分別進(jìn)行了靜載測試，保證與相應(yīng)試件疲勞試驗(yàn)的加載裝置相同，加載位置與有限元計(jì)算保持一致。根據(jù)試件形狀以及有限元計(jì)算結(jié)果，選擇合理的位置布置應(yīng)變片測點(diǎn)，3種試件的測點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 3種試件測點(diǎn)布置圖

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的回歸曲線如圖5所示，由圖5可以看出：測試結(jié)果與理論值相差不大，試驗(yàn)系統(tǒng)滿足要求。H3號試件應(yīng)力基本分成3個部分，中間的3、4號兩個測點(diǎn)應(yīng)力大于一側(cè)1、2號測點(diǎn)和另一側(cè)的5、6號測點(diǎn)，原因是試件在中間部位有效截面面積較小，同等條件下容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；當(dāng)施加到400 kN的荷載時，3號點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到197.27 MPa，測點(diǎn)3應(yīng)力要明顯大于兩邊測點(diǎn)1、5。其原因可能是試件在焊接處的測點(diǎn)應(yīng)力呈中心放射性分布。由圖5(b)可知：測點(diǎn)3、5靠近焊接部位，將其在荷載400 kN加載時測得的應(yīng)力值平均得155.42 MPa，與有限元計(jì)算值153.27 MPa接近，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合預(yù)期要求。由圖5(c)可知：1號測點(diǎn)是橫隔板圓弧測點(diǎn)橫向應(yīng)力，2號測點(diǎn)為橫隔板與U肋焊接處豎向應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果顯示這兩個測點(diǎn)是所有測點(diǎn)中數(shù)值最大的，這兩個方向的力導(dǎo)致該種構(gòu)造在疲勞斷裂時，先是沿著焊趾起裂，然后在橫隔板上斜向擴(kuò)展。

圖5 3種試件靜載回歸曲線

從規(guī)律來看，實(shí)測與試件有限元計(jì)算基本保持一致，個別點(diǎn)存在誤差，主要是由于試件加載時產(chǎn)生撓度，加載塊與接觸點(diǎn)無法保證理想的平面，同時計(jì)算過程中邊界條件假設(shè)、測點(diǎn)位置與實(shí)際有一定的誤差所致，但總體分布規(guī)律一致。

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

由于各試件的結(jié)構(gòu)形式不同，通過專門設(shè)計(jì)的液壓伺服機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，3種試件具體試驗(yàn)情況見圖6。

圖6 疲勞試驗(yàn)圖

3種試件具體加載方案如下：首先利用液壓伺服機(jī)進(jìn)行預(yù)加載，使得試件約束部位及加載部位接觸良好，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，H3及H4號試件在2 000 kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)完成，各試件疲勞試驗(yàn)最小控制噸位均取10 kN，進(jìn)行拉-拉循環(huán)加載，H5號試件通過設(shè)計(jì)專門裝置由3 800 kN多頭結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)機(jī)上的±1 000 kN加載裝置完成，疲勞試驗(yàn)最小控制噸位均取5 kN，進(jìn)行壓-壓循環(huán)加載，試驗(yàn)過程中利用酒精涂抹并借助放大鏡觀察，當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂紋后，記錄此時的循環(huán)次數(shù)，繼續(xù)疲勞加載至裂透板厚或試件斷開，以此時的循環(huán)次數(shù)作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

為了取得準(zhǔn)確結(jié)果，制作了多個相同的試件，持續(xù)施加循環(huán)荷載，得到試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，3種試件裂紋情況如圖7所示。

表1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由圖7可以看出：H3試件在與碼板焊接處開始起裂，裂紋從內(nèi)部逐漸擴(kuò)展。H4號試件主要從U形肋與橋面板對接焊處起裂，之后，U肋焊縫交叉點(diǎn)過焊孔邊緣開始起裂，并沿著橫隔板向內(nèi)擴(kuò)展，最后發(fā)展為試件在橫隔板處沿焊趾斷裂。H5號試件的疲勞破壞位置有兩種情況：① 在橫隔板與U肋焊接部位下焊趾，起先沿著焊趾起裂，后來在橫隔板上斜向擴(kuò)展；② 在U肋上焊趾起裂，一直沿著上焊趾擴(kuò)展，擴(kuò)展速度緩慢。兩種情況裂紋源都在角焊縫根部，即裂紋起點(diǎn)均產(chǎn)生在橫隔板與U肋焊趾根部，然后自內(nèi)向外擴(kuò)展。根據(jù)各構(gòu)造的疲勞破壞特征，擬合疲勞試驗(yàn)結(jié)果，得出該橋主橋鋼結(jié)構(gòu)3種關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞S-N曲線推薦公式如表2所示。

表2 3種構(gòu)造細(xì)節(jié)推薦疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線

圖7 疲勞試驗(yàn)圖

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，H3號試件在中間部位應(yīng)力最大，其原因在于中間碼板部位橫截面積較小，同等外部條件下，該截面容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在循環(huán)荷載的作用下，容易引起開裂，疲勞試驗(yàn)結(jié)果也表明該構(gòu)件容易在中間部位斷裂。

(2) H4號試件主要從U形肋與橋面板對接焊處起裂，說明此處焊縫較薄弱，靜載試驗(yàn)結(jié)果也顯示在此處應(yīng)力最大，在400 kN的拉力荷載下，焊縫處測點(diǎn)的平均應(yīng)力達(dá)到155.42 MPa。

(3) H5號試件靜載試驗(yàn)結(jié)果表明橫隔板與U肋焊接處的橫向應(yīng)力和豎向應(yīng)力均較大，這兩個方向的力導(dǎo)致該種構(gòu)造在疲勞斷裂時，先是沿著焊趾起裂，然后在橫隔板上斜向擴(kuò)展，同疲勞試驗(yàn)所顯示的裂縫特征一致，同時有限元模型在橫隔板與U肋焊接處附近也出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，更加說明橫隔板與U肋焊接處是該構(gòu)件最薄弱的部位。

(4) 利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了S-N曲線，并給出了焊接構(gòu)件的推薦設(shè)計(jì)曲線，可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正該橋建造過程中的部分構(gòu)造細(xì)節(jié)，保證橋梁質(zhì)量。