曹武雷CAO Wu-lei；李震LI Zhen；朱帥ZHU Shuai

（中國建筑第七工程局有限公司，洛陽 471000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)能夠提高橋梁自身的承載能力，同時(shí)還可減輕橋梁自重和施工復(fù)雜性。但受到車輛超載、自然環(huán)境以及交通事故等因素影響，鋼結(jié)構(gòu)橋梁會(huì)出現(xiàn)一定程度橫向載荷應(yīng)力下降的情況，影響橋梁使用壽命和階段性的結(jié)構(gòu)牢固性。對此，為進(jìn)一步掌握鋼結(jié)構(gòu)橋梁橫向載荷應(yīng)力的影響因素，提高橋梁的使用性能，將以設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方式對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行載荷應(yīng)力變化實(shí)驗(yàn)，以明確各影響因素對橋梁穩(wěn)定性的作用強(qiáng)度。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞設(shè)計(jì)

1.1 安全壽命設(shè)計(jì)法 常見的鋼結(jié)構(gòu)橋梁安全壽命設(shè)計(jì)方法是指設(shè)計(jì)會(huì)在一定年限內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞等問題，因此其構(gòu)件的應(yīng)力值通常會(huì)低于疲勞極限值，該方法能夠有效提升鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與疲勞壽命[1]。安全壽命設(shè)計(jì)法屬于一種有限設(shè)計(jì)，一般情況下對應(yīng)構(gòu)件應(yīng)力的設(shè)計(jì)值需要遠(yuǎn)高于疲勞極限值，其疲勞壽命曲線變化呈先穩(wěn)定下降后保持不變形態(tài)，在穩(wěn)定下降部分能夠得出，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)疲勞壽命屬于隨時(shí)間變化而變化的，即整體會(huì)隨著橋梁投入使用年限的增加而不斷下降，因此在對安全壽命設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)橋梁進(jìn)行抗疲勞研究中，應(yīng)當(dāng)對相應(yīng)其最高應(yīng)力極值進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，并引入累積損傷理論估算出受外界因素影響下的疲勞損傷值[2]。該設(shè)計(jì)方法需要保障其設(shè)計(jì)滿足如下條件，即必須掌握疲勞強(qiáng)度變化曲線和是否達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)橋梁基本的疲勞定義與等級條件。

1.2 損傷容限設(shè)計(jì)法 損傷容限設(shè)計(jì)法是基于斷裂力學(xué)而提出的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)方法。損傷容限設(shè)計(jì)法需要先對橋梁構(gòu)件中存在的初始裂紋進(jìn)行假設(shè)，并引入斷裂學(xué)的相關(guān)理論對其進(jìn)行計(jì)算，然后將對應(yīng)的裂紋鎖定為橢圓形的表現(xiàn)形式，再將結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)等變應(yīng)力因素對裂紋影響變化進(jìn)行進(jìn)一步拓展[3]，其中拓展速率可參照下式進(jìn)行計(jì)算，即

在明確需要使用的評估結(jié)構(gòu)剩余壽命的試驗(yàn)之后，可通過上述方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)裂縫可在設(shè)計(jì)期限下不出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展，從而方便后續(xù)對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫構(gòu)件的安全性評估，該方法在評價(jià)年代久遠(yuǎn)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性中具有較高的應(yīng)用效果。此外，還需要助于在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的預(yù)檢期間應(yīng)當(dāng)注意漏檢因素對整體評估的影響，即橋梁內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫問題對整個(gè)評估指標(biāo)的影響。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 確定疲勞荷載 鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)不同于鐵路橋梁的抗疲勞設(shè)計(jì)，用于公路交通的鋼結(jié)構(gòu)橋梁受車輛荷載變化影響所產(chǎn)生的形變程度相對較大，因此對應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化幅度同樣較大。受到車型與車輛間距等因素的差異性影響，其公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)明確疲勞荷載峰值，即可借助計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)交通狀態(tài)下橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷情況進(jìn)行等效折算，從而設(shè)定出在假設(shè)條件下鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞荷載值。針對鋼結(jié)構(gòu)橋梁線長度的局部計(jì)算，可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)軸重荷載的方式進(jìn)行計(jì)算，即使用1.1 倍假設(shè)疲勞車軸的重荷載當(dāng)做標(biāo)準(zhǔn)的軸重荷載。

2.2 精確驗(yàn)算位置 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞驗(yàn)算活動(dòng)中，應(yīng)當(dāng)對其鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算位置進(jìn)行精確，從而使得出數(shù)據(jù)能夠直接反映出區(qū)域下鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。常見鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的驗(yàn)算關(guān)鍵位置可分為橋梁桿結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)疲勞敏感處預(yù)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等部位，驗(yàn)算時(shí)除需要注意驗(yàn)算各個(gè)鋼結(jié)構(gòu)焊縫趾和小節(jié)點(diǎn)區(qū)域之外，還需要注意對剪開變、倒角、焊趾以及焊接縫跟部等部位的核驗(yàn)計(jì)算，從而保障抗疲勞設(shè)計(jì)中驗(yàn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 明確加載次數(shù) 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)針對性計(jì)算區(qū)域的疲勞應(yīng)力，明確鋼結(jié)構(gòu)的額定疲勞車影響線長度、疲勞車軸距以及一次加載次數(shù)等指標(biāo)間的關(guān)系。同時(shí)，還需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的材料性質(zhì)與構(gòu)件性能，引入效應(yīng)相等理念作為判斷原則，將復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)力循環(huán)通過單個(gè)具有差異化的循環(huán)代數(shù)進(jìn)行表示，其中試驗(yàn)環(huán)境下一個(gè)軸重皆可視為一次加載。

2.4 確保鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足規(guī)定 為保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要結(jié)合項(xiàng)目施工要求以及相關(guān)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，并使鋼結(jié)構(gòu)橋梁整體滿足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范與要求：第一，應(yīng)當(dāng)針對鋼結(jié)構(gòu)拉伸件與受力彎曲鋼構(gòu)件等常用鋼結(jié)構(gòu)橋梁組成構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)化設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合橋梁使用標(biāo)準(zhǔn)，選擇具有一定弧度且長過渡性的鋼結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)橋梁剛度的弱化。第二，設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)借助線對接焊縫進(jìn)行科學(xué)的選用，并且需要對鋼結(jié)構(gòu)件焊接后進(jìn)行處理。第三，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化復(fù)雜設(shè)計(jì)區(qū)和應(yīng)力變化復(fù)雜區(qū)域下的疲勞驗(yàn)算計(jì)算。第四，應(yīng)當(dāng)對鋼結(jié)構(gòu)框架涉及疲勞的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，從而精細(xì)化鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，以提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的整體疲勞強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料的制作過程 鋼結(jié)構(gòu)橋梁屬于一種空間結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中對豎向、橫向以及縱向等三方向及延伸域施加的荷載力作用進(jìn)行考慮。在本文的研究中，將融合上述鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載力變化進(jìn)行分析，即重點(diǎn)對橋梁上方重量、自然力和橋梁離心力對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞影響進(jìn)行研究。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載直接施加在縱梁上，通過縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將施加力分配至各個(gè)承力點(diǎn)位。結(jié)合橋梁節(jié)點(diǎn)的特征和現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)圖紙，全面考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁斷裂模擬試驗(yàn)環(huán)境下，試驗(yàn)受到儀器和反力架系統(tǒng)等因素的限制，結(jié)合微縮模型尺寸的方式完成模擬試驗(yàn)下疲勞斷裂的相關(guān)研究，從而在保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁仿真性的同時(shí)降低試驗(yàn)成本。試驗(yàn)設(shè)定試樣尺寸數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 試樣尺寸

因需要對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載進(jìn)行考慮，因此本文所提試驗(yàn)中將選用十字型截面鋼結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)樣本，十字型截面鋼結(jié)構(gòu)試件的組成成分與力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 試件性能

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載受力點(diǎn)與橋梁鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，選擇3 處橋梁節(jié)點(diǎn)部分作為試驗(yàn)分析點(diǎn)位。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)涵蓋橋梁節(jié)點(diǎn)板與弦桿的焊接區(qū)域、棱角與弦桿的焊接區(qū)域以及梁板厚度。將上述點(diǎn)位設(shè)計(jì)進(jìn)行編號，分別為1、2 和3。其3 個(gè)點(diǎn)位的焊接工藝數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 焊接工藝

為保障試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性，應(yīng)當(dāng)在此次實(shí)驗(yàn)之前對上述測點(diǎn)進(jìn)行一次靜應(yīng)力預(yù)測試，從而判斷出測點(diǎn)處是否存在荷載偏移，并比對測試數(shù)據(jù)與點(diǎn)位實(shí)際數(shù)據(jù)。若應(yīng)力測試的數(shù)據(jù)結(jié)果與測試數(shù)據(jù)完全一致，則使用上述設(shè)計(jì)測點(diǎn)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，若不同則需要從新設(shè)計(jì)測點(diǎn)并進(jìn)行測點(diǎn)的應(yīng)力預(yù)測試。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 為確保本次試驗(yàn)過程具有高度可控性，因此本文將模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置在大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，使用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)當(dāng)做本次仿真模擬實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備。為較為完整的模擬出鋼結(jié)構(gòu)橋梁實(shí)際橫向應(yīng)變力變化情況，其設(shè)備的選用原則應(yīng)當(dāng)考慮是否小于橫向荷載噸位或等于鋼結(jié)構(gòu)橋梁最大噸位的80%，由此可保障其反力架系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。將上述所提試件應(yīng)用到模擬試驗(yàn)中，并將試驗(yàn)設(shè)備的初始加載頻率調(diào)整為1.0～10.0Hz。因需要保障整體試驗(yàn)過程中可以擁有較為穩(wěn)定且持續(xù)的受力變化，需要使用正弦波應(yīng)力循環(huán)系統(tǒng)完成此次試驗(yàn)。另外，還需要結(jié)合試驗(yàn)主設(shè)備的設(shè)定情況，調(diào)整試驗(yàn)加載系統(tǒng)、附屬設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、缺陷檢測設(shè)備以及安全防護(hù)設(shè)備等，以期起到提高試驗(yàn)結(jié)果科學(xué)性與有效性的目的。

3.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 通過文獻(xiàn)查閱的方式證明橋梁鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的疲勞損傷斷裂與焊接區(qū)域受力變化存在直接關(guān)系。因此，在本次試驗(yàn)中不對其他應(yīng)力變化對試驗(yàn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進(jìn)行考慮，僅對試驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行橫向荷載的研究。分析試件循環(huán)測試次數(shù)與測點(diǎn)應(yīng)力變化關(guān)系，并探究其抗疲勞的變化曲線，從而得到鋼結(jié)構(gòu)橋梁試件的S-N 曲線，由此判斷其斷裂條件。本次試驗(yàn)方案的總規(guī)劃情況如表4 所示。

表4 實(shí)驗(yàn)方案總體規(guī)劃

以上述所提方法完成本次試驗(yàn)，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載要求，設(shè)計(jì)出適用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞斷裂實(shí)驗(yàn)方法。

3.4 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì) 以下述方法體現(xiàn)出上述疲勞斷裂試驗(yàn)的規(guī)劃。假設(shè)上述3 個(gè)測點(diǎn)的橫向荷載峰值均在350-560kN 之間，在上述試驗(yàn)環(huán)境下將鋼結(jié)構(gòu)橋梁的試件荷載加載參數(shù)和橫向荷載參數(shù)匯總于表5 中所示。

表5 試件荷載加載參數(shù)

設(shè)定本次試驗(yàn)的橫向荷載加載參數(shù)分為3 級，則仿真模擬實(shí)驗(yàn)需要在基本參數(shù)發(fā)生變化的情況下進(jìn)行3 次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 橫向載荷參數(shù)設(shè)定

采集鋼結(jié)構(gòu)試件出現(xiàn)橫向應(yīng)力斷裂前的載荷參數(shù)，采集時(shí)間間隔為1h，若采集過程中出現(xiàn)斷裂情況則需要立即停止數(shù)據(jù)的采集工作，鋼結(jié)構(gòu)疲勞時(shí)間裂紋的檢測工作應(yīng)當(dāng)與上述信息的采集工作同步進(jìn)行，以此獲得更加真實(shí)的疲勞斷裂模擬試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。使用S-N 曲線對結(jié)果進(jìn)行表示，其公式為：

上式中：C 與m 均表示試件材料的常數(shù)。

使用對數(shù)方法對其進(jìn)行計(jì)算可得公式為：

借助上述公式可獲得試驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞曲線，上式中使用數(shù)據(jù)皆可通過數(shù)據(jù)回歸方法得出。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 一級荷載狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果 為驗(yàn)證上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性與合理性，將以上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)環(huán)境進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁建筑的橫向載荷應(yīng)力的檢測，并得出所用鋼結(jié)構(gòu)橋梁的仿真試驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)，同時(shí)對試件與時(shí)間的差異進(jìn)行考慮，使用疲勞曲線實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果的顯示，詳細(xì)數(shù)據(jù)變化如圖1 所示。疲勞曲線循序變化為板厚檢測、弦桿與節(jié)點(diǎn)板焊接處檢測和橋梁弦桿棱角焊接處檢測。由下圖數(shù)據(jù)可知，在相同的荷載力作用下，三組測點(diǎn)的疲勞曲線波動(dòng)大致相似，并且該荷載等級下并未出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象，證明橋梁鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件抗疲勞性較好。

圖1 一級荷載狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果

4.2 二級荷載狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果 為探究二級荷載狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件的抗疲勞性效果，將模擬多次鋼結(jié)構(gòu)橫向載荷應(yīng)力變化對測點(diǎn)影響分析，因該等級狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)疲勞變化與等級一變化相似，因此不進(jìn)行曲線圖的描繪工作。但在試驗(yàn)構(gòu)件的荷載數(shù)值不斷升高過程中，測點(diǎn)3 在100 荷載力后開始出現(xiàn)波動(dòng)，并且在施加240 荷載力時(shí)出現(xiàn)斷裂情況。相比較測點(diǎn)3 數(shù)據(jù)變化其測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 數(shù)據(jù)變化相對平穩(wěn)，但仍會(huì)在荷載力不斷增加的情況下出現(xiàn)斷裂。

4.3 三級荷載狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果 將本次試驗(yàn)的荷載輸出設(shè)定為測點(diǎn)的極限值，由此獲得三級荷載參數(shù)下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞性試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化如圖2 所示。

圖2 三級荷載狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果

在三級荷載狀態(tài)下，僅剩測點(diǎn)3 一條較為完整的曲線。結(jié)合上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)測點(diǎn)1 在施加420 荷載力時(shí)出現(xiàn)斷裂，因此不對其進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，同時(shí)測點(diǎn)2 在施加480 荷載力時(shí)出現(xiàn)斷裂，因此同樣不對其后續(xù)應(yīng)力變化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過原始數(shù)據(jù)與曲線變化可知，測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 在出現(xiàn)斷裂之后其開裂部分的應(yīng)變測點(diǎn)數(shù)據(jù)仍會(huì)不斷增加，同時(shí)測點(diǎn)3 數(shù)值會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，證明其應(yīng)當(dāng)編制在應(yīng)力變化的彈性形變的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

綜上所述，由上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在橫向荷載的影響下，其構(gòu)件的疲勞斷裂順序?yàn)橄燃?xì)節(jié)負(fù)載斷裂后平整部分?jǐn)嗔?。?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、受力方式以及受力點(diǎn)的分布直接影響鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度。在上述3 種因素的共同影響下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度將會(huì)提升一個(gè)等級，并會(huì)形成結(jié)構(gòu)斷裂的情況，并且由試驗(yàn)結(jié)果可以看出鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能變化與焊接質(zhì)量同樣存在直接關(guān)系，其應(yīng)力變化在同等參數(shù)等級的試驗(yàn)環(huán)境下極為明顯。因此，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件細(xì)節(jié)進(jìn)行精細(xì)化處理，能夠有效降低結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)問題帶來的應(yīng)力集中問題，從而提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞能力，預(yù)防不規(guī)則應(yīng)力變化造成的橋梁斷裂問題。