陶 斌

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司 太原市 030012)

0 引言

橋梁伸縮裝置長(zhǎng)期承受車(chē)輛荷載的作用，再加上環(huán)境因素的影響，很容易產(chǎn)生疲勞破壞。橋梁伸縮裝置損壞不僅影響交通安全，還會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而降低橋梁使用壽命[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)橋梁施工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了很多大跨徑橋梁，進(jìn)而推動(dòng)了模數(shù)式橋梁伸縮裝置的發(fā)展和應(yīng)用。這類(lèi)伸縮裝置技術(shù)含量高、施工難度大，施工方法選擇不當(dāng)不僅會(huì)降低其使用壽命，還會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的破壞[2]。另外，模數(shù)式橋梁伸縮裝置疲勞性能直接與使用壽命相關(guān)，結(jié)合杭瑞高速公路北盤(pán)江大橋GQF1120型伸縮裝置應(yīng)用實(shí)踐，制作試件開(kāi)展疲勞試驗(yàn)分析疲勞循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)變和撓度的影響，確定疲勞幅值與疲勞壽命之間的關(guān)系。

1 工程概況

杭瑞高速公路北盤(pán)江大橋位于貴州和云南兩省交界處，大橋全長(zhǎng)1341.4m，建設(shè)總投資10.28億元。橋梁設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h，采用雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。北盤(pán)江大橋橋面到谷底垂直高速達(dá)565m，大橋東、西兩岸主橋墩高度分別為269m和247m，最大跨度為720m，為跨徑世界第二大鋼桁梁斜拉橋，世界最高橋梁。橋梁設(shè)置了4條GQF1120型伸縮裝置，為模數(shù)式橋梁伸縮縫，最大伸縮量為1120mm。左右兩幅各布置兩條伸縮縫，分別設(shè)置在0#臺(tái)和3#臺(tái)。單幅伸縮縫縫體長(zhǎng)度為12.25m，分幅施工，左右兩幅伸縮縫施工完成后進(jìn)行縫體對(duì)接。為了確定模數(shù)式橋梁伸縮裝置的疲勞性能，制作試件開(kāi)展疲勞試驗(yàn)進(jìn)行分析，并確定其適用性。

2 模數(shù)式橋梁伸縮裝置疲勞試驗(yàn)方案

2.1 試件制作

本項(xiàng)目選取GQF1120 型伸縮裝置作為研究對(duì)象，制作三組試件，編號(hào)為SF-1、SF-2、SF-3。每個(gè)試件有一根中梁和四根橫梁組成，中梁和橫梁材料均為Q345鋼，中梁長(zhǎng)4 m、橫梁長(zhǎng)54 cm，四根橫梁等間距布置在中梁上，間距為98 cm。中心梁凹槽處安裝彈性密封條，橫梁和中梁采用全熔透焊接，并安裝縱向加強(qiáng)筋補(bǔ)強(qiáng)，試件如圖1所示。焊接后對(duì)焊縫外觀、焊縫尺寸進(jìn)行檢測(cè)，并采用超聲波無(wú)損檢測(cè)對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，反射波幅位于Ⅰ區(qū)，焊縫質(zhì)量評(píng)定為Ⅰ級(jí)，滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661—2011)的要求。

圖1 模數(shù)式伸縮裝置試件

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了準(zhǔn)確檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試件的應(yīng)變和撓度變化，在試件上部布置測(cè)點(diǎn)，分別固定應(yīng)變片和百分表[3]。應(yīng)變片用于對(duì)橫梁和中梁的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，試件表面必須光滑無(wú)損壞。應(yīng)變片長(zhǎng)度為100 mm，電阻120±0.3 Ω，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)TDS-530靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀收集。應(yīng)變片粘貼前對(duì)試件表面進(jìn)行打磨，清洗擦拭干凈后方可粘貼。橫梁上部應(yīng)變片粘貼間隔為60 mm，編號(hào)為H1～H12，中梁應(yīng)變片粘貼間隔為75 mm，編號(hào)為Z1～Z15。百分表分別布置在中梁兩端、每跨跨中位置、兩側(cè)橫梁和中梁連接處，數(shù)量為7個(gè)，編號(hào)為L(zhǎng)1～L7。應(yīng)變片和百分表布置如圖2所示。

圖2 疲勞試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 疲勞試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)整支撐架和試件的位置使橫梁均處于基座的斜面上，然后通過(guò)螺桿和壓板將試件橫梁固定。在中梁上部焊接楔形鋼塊，架上分配梁，然后用三角架固定分配梁。試驗(yàn)加載時(shí)，荷載首先作用于分配梁上，在水平方向和垂直方向分解為兩個(gè)分力，模擬伸縮縫在車(chē)輛荷載作用下的受力狀態(tài)。試驗(yàn)設(shè)備選擇MTS液壓疲勞機(jī)，試件加載頻率為2.5Hz，加載方式為正弦波等幅加載。每加載10萬(wàn)次停止疲勞試驗(yàn)，然后進(jìn)行最大靜力試驗(yàn)，做好中梁和橫梁應(yīng)變和撓度檢測(cè)值記錄。試驗(yàn)中檢查試件焊縫位置是否出現(xiàn)裂紋，如出現(xiàn)記錄裂紋的長(zhǎng)度、位置等信息，達(dá)到疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即停止試驗(yàn)，破壞標(biāo)準(zhǔn)按NCHRP-402報(bào)告中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，疲勞試驗(yàn)加載如表1所示，試驗(yàn)加載如圖3所示。

表1 疲勞試驗(yàn)加載情況

圖3 疲勞試驗(yàn)加載

3 伸縮裝置疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 撓度檢測(cè)結(jié)果分析

在疲勞試驗(yàn)中，收集不同疲勞加載循環(huán)次數(shù)下試件上部各測(cè)點(diǎn)撓度變化情況，分析循環(huán)次數(shù)對(duì)撓度變化的影響。為確定試件疲勞壽命，SF-3試件疲勞循環(huán)加載次數(shù)最多，選其作為研究對(duì)象，分析不同位置撓度變化規(guī)律。選取L3和L5號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，繪制荷載-撓度曲線(xiàn)如圖4和圖5所示。

圖4 L3測(cè)點(diǎn)荷載-撓度曲線(xiàn)

分析圖4所示L3測(cè)點(diǎn)荷載-撓度曲線(xiàn)變化情況，隨著疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加撓度不斷提高，尤其在0～80萬(wàn)次、320萬(wàn)次～400萬(wàn)次之間試件撓度出現(xiàn)了明顯變化。L5測(cè)點(diǎn)的撓度變化主要與第三和第四橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷有關(guān)，而第四橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷主要發(fā)生在循環(huán)次數(shù)為80～160萬(wàn)次，因此L5測(cè)點(diǎn)的撓度變化主要與第三橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷有關(guān)。這說(shuō)明第三橫梁與中梁的焊接接頭在循環(huán)次數(shù)為0～80萬(wàn)次之間出現(xiàn)了明顯的疲勞損傷，并隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加焊接接頭處的裂紋不斷延伸，導(dǎo)致在320萬(wàn)次～400萬(wàn)次之間撓度出現(xiàn)了較大的變化。

圖5 L5測(cè)點(diǎn)荷載-撓度曲線(xiàn)

分析圖5所示L5測(cè)點(diǎn)荷載-撓度曲線(xiàn)變化情況，與L3測(cè)點(diǎn)相同，隨疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加撓度不斷增加，尤其在0～80萬(wàn)次、160萬(wàn)次～240萬(wàn)次試件撓度發(fā)生了較大變化。由于焊接部位整體穩(wěn)定性相對(duì)其他部分比較差，因此L3測(cè)點(diǎn)撓度值的變化主要與第一和第二橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷有關(guān)，而第一橫梁與中梁的焊接接頭的疲勞損傷主要發(fā)生在循環(huán)次數(shù)為80萬(wàn)次～160萬(wàn)次，因此L3測(cè)點(diǎn)的撓度變化主要與第二橫梁與中梁的焊接接頭的疲勞損傷有關(guān)。說(shuō)明第二橫梁與中梁的焊接接頭裂紋主要發(fā)生在循環(huán)次數(shù)為160萬(wàn)次～240萬(wàn)次之間，后續(xù)撓度雖然有所變化，但增量較小。

3.2 應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果分析

選取試件SF-2為研究對(duì)象，分別選取橫梁和中梁跨中測(cè)點(diǎn)，收集達(dá)到荷載上限120 kN時(shí)的應(yīng)變值，繪制不同疲勞循環(huán)次數(shù)下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 不同疲勞循環(huán)次數(shù)下應(yīng)變變化曲線(xiàn)

分析圖6所示各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化曲線(xiàn)，隨著循環(huán)荷載加載次數(shù)的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變不斷增加。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)黾铀俾室苍诓粩嘣黾?，例如H2、Z2、H5、H11測(cè)點(diǎn)在200萬(wàn)次～400萬(wàn)次循環(huán)之間的應(yīng)變變化速率明顯高于0～200萬(wàn)次。這說(shuō)明隨著循環(huán)荷載加載次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力也隨之增加，雖然增加的數(shù)量不大，但產(chǎn)生的疲勞應(yīng)變?nèi)暂^大。

3.3 裂紋發(fā)展與疲勞壽命之間的關(guān)系

隨著疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加，伸縮裝置試件的橫梁和中梁焊縫位置相繼出現(xiàn)了疲勞裂紋，試件出現(xiàn)的裂紋如圖7所示，各試件疲勞裂紋情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。其中A型裂紋出現(xiàn)于中梁焊縫趾處或附近，以45°方向延伸到中梁；B型裂紋出現(xiàn)于橫梁焊趾處或附近，以45°方向延伸到橫梁[4]；C型裂紋通常出現(xiàn)焊喉中間位置，大致與橫向軸線(xiàn)平行。

圖7 試樣裂紋樣例

表2 疲勞裂紋情況統(tǒng)計(jì)表

分析表2裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在疲勞加載循環(huán)次數(shù)達(dá)到80萬(wàn)次以后，試件焊縫位置相繼出現(xiàn)裂紋，其中大部分為C型裂紋，只有試件SF-2出現(xiàn)了A型裂紋，三組試件均未出現(xiàn)B型裂紋。SF-3試件局部焊縫位置裂紋寬度較大，分析原因是由于SF-3試件的疲勞幅值較大，說(shuō)明疲勞荷載幅值對(duì)伸縮裝置的使用壽命影響較大。另外，試件SF-1在循環(huán)次數(shù)達(dá)到40萬(wàn)次時(shí)達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)、SF-2為21萬(wàn)次、SF-3為16萬(wàn)次，對(duì)應(yīng)表1中的疲勞幅值，SF-3最大，SF-1最小，疲勞幅值越大達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)次數(shù)越少，這也說(shuō)明疲勞幅值對(duì)伸縮裝置疲勞壽命影響較大。

4 結(jié)語(yǔ)

為了研究模式橋梁伸縮裝置的疲勞性能，選取GQF1120 型伸縮裝置制作試件，布置應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)開(kāi)展疲勞試驗(yàn)進(jìn)行分析。分析撓度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)隨著疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加，各測(cè)點(diǎn)撓度不斷增加，焊接接頭在循環(huán)次數(shù)為0～80萬(wàn)次之間出現(xiàn)了明顯的疲勞損傷，進(jìn)一步加載后焊接接頭處的裂紋不斷延伸，L5、L3試件分別在循環(huán)次數(shù)320萬(wàn)次～400萬(wàn)次、160萬(wàn)次～240萬(wàn)次伸縮裝置撓度出現(xiàn)了較大幅度增長(zhǎng)。

(2)隨著疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值不斷增加，200萬(wàn)次～400萬(wàn)次循環(huán)之間的應(yīng)變變化速率明顯高于0～200萬(wàn)次，殘余應(yīng)力不斷增加，進(jìn)而使殘余應(yīng)變有了較大幅度的增加。

(3)分析三個(gè)試件疲勞裂紋的類(lèi)型、位置、出現(xiàn)時(shí)和達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)次數(shù)，得出疲勞幅值越大，試件開(kāi)裂寬度越大，達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)次數(shù)越少，說(shuō)明疲勞幅值對(duì)伸縮裝置的使用壽命影響較大。