正交異性鋼橋面板U肋與橋面板焊縫連接處疲勞試驗研究

呂彭民，李大濤

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064)

0 引言

U肋與橋面板之間焊縫處出現疲勞裂紋是正交異性橋面結構出現裂紋的主要形式之一.數十年前此裂紋在日本正交異性鋼橋上被發現并且受到了越來越多的關注［1］.Zhi-Gang Xiao［2］等人對正交異性鋼橋面板U肋與橋面板連接處焊縫進行了比較精細的應力分析與疲勞評估，根據其分析結果，當輪載位于圖1所示位置時，焊根、焊趾位置所受的壓應力比較大.通常認為壓應力不產生裂紋，而實橋上此處焊根處的裂紋比較常見，其根本原因是由于該焊縫位置存在著較大的殘余拉應力，使焊根、焊趾處實際上的應力幅一直處于拉應力狀態.周建林［3］曾對橋面板與U肋的殘余應力進行了測試，測試結果為在U肋與頂板焊縫連接處的5 mm內，橋面板的殘余應力為拉應力，最大拉應力達到140 MPa，相當于材料屈服強度的0.34.由于此處裂紋往往萌生在焊根位置，并且在U肋內部，使得裂紋的監測比較困難，一旦裂紋貫穿橋面板，將影響到橋梁的安全性.因此，深入研究該細部結構的疲勞特性，對于保障橋梁安全服役是非常必要的.

圖1 U肋與橋面板焊縫連接處疲勞裂紋Fig.1 Fatigue crack in welded joints of U-rib and bridge deck

1 實際橋梁結構有限元分析

當車輪位于如圖1所示位置時，已經知道U肋與橋面板焊縫易出現如圖1框中所示裂紋，包括焊根處裂紋和焊趾處裂紋，而焊根處裂紋可能向橋面板擴展或者向U肋擴展.筆者所設計的疲勞試樣主要用來模擬從焊根處向橋面板進行擴展的裂紋.

參照《公路橋涵設計通用規范》［4］中車輛載荷的主要技術指標，車輛中后軸的重力標準值為2×120 kN、2×140 kN，中、后輪胎著地寬度及長度為0.6 m×0.2 m，輪距為1.8 m.九江長江公路大橋瀝青鋪裝層的厚度為55 mm，輪載按照45°方向進行擴展到橋面板上，輪載擴散到橋面板上后寬度及長度為0.71 m×0.31 m.假設一輛疲勞載荷車沿實橋橫向運行一遍，以此來查看輪載位于何位置時圖1中焊根位置應力幅最大.利用有限元軟件建立一個實橋梁段的計算模型，其中包括2個橫隔板和8個U肋.文中只加載后軸單邊輪載，荷載大小為140 kN，加載面積為0.71 m×0.31 m.圖2為關注點的位置和輪載的運行方向，關注點為圖1中焊根處裂紋易發生的位置.

圖2 實橋中關注點位置Fig.2 Concerned point in bridge

關注點在整個輪載運行過程中的應力時間歷程見圖3.關注點橋面板底面x方向(橫橋向)最大應力為75.3 MPa，此刻輪載位置如圖1中所示.有限元計算結果為橋面板底面處于受壓狀態，但若與此處的殘余拉應力疊加，則此處實際受力為拉應力狀態，故有可能產生疲勞裂紋.為了準確分析此處焊縫位置受力情況，在圖2中關注點位置建立焊縫的實體子模型，如圖4所示，對關注點焊縫位置進行精細分析.圖5為子模型有限元模型以及焊縫位置局部放大示意圖，共劃分Solid45單元183 105個，焊根、焊趾處網格細化，焊根和焊趾處的單元大小為0.5 mm，子模型焊縫按照實際尺寸大小建立，焊縫并非全焊透，將焊根位置沒焊透位置同樣建出來，以此來保證分析精度.圖6為焊趾、焊根位置沿厚度方向應力變化示意圖，對比兩處可以很明顯得出焊根位置應力大于焊趾處應力，并且兩處的應力都為壓應力，而橋面板表面為拉應力，故焊根相較于焊根趾更容易產生疲勞裂紋.根據所截取的子模型，為了確保焊縫位置受拉應力以及適應疲勞試驗機加載方式，將試樣與夾具設計成圖7所示.試樣所選材料為Q345qD，與實橋材料相同，焊接工藝與實橋相同.

圖7 試樣與夾具Fig.7 Specimen and fixture

2 疲勞試樣應力分析

為了檢驗計算結果的準確性，筆者進行了疲勞試樣的靜應力測試.根據國際焊接協會推薦，可取距離焊趾1.5t(t為板厚)［5］處的應力作為名義應力，故將應變片布置在距焊根和焊趾分別為1.5t處，試樣布片圖見圖8.圖中應變片2、5、8分別距焊趾24 mm、焊根5 mm和焊根24 mm.在應變片2、5、8 左右各布置一個應變片，分別為 1、3、4、6、7、9 6 個應變片.一則可以對比應變片2、5、8 所測數據，二則可以檢查試樣在加載過程中是否偏載以及計算偏載量.

靜載試驗在SD-500電液伺服動靜試驗機上進行［6］.靜載測試按照 0、4.5.0、9.0、13.5、18.0 kN 逐級加載和 13.5、9.0、4.5、0 kN 逐級卸載進行.最大荷載可以保證試樣處于彈性變形階段.靜載測試結果與有限元分析結果對比曲線見圖9.

圖8 試樣布片圖(單位:mm)Fig.8 Schematic of strain gauges(in mm)

圖9 試驗值與ANSYS計算值對比曲線(——×試驗值，——■—計算值)Fig.9 Comparison of experimental results and ANSYS simulated results

由圖9可知，試驗結果與計算結果較為吻合， 從而可得到加載力與對應位置應力之間的關系.

3 試樣疲勞試驗

疲勞試樣共進行了13個試樣的疲勞試驗，有效數據共計9個，9個有效數據見表1.根據表1試驗數據，通過最小二乘法擬可得Δσ-N曲線方程為(或保證率為50%的均值線)

當N=200萬次時，應力幅值Δσ=122.1 MPa.

相關系數|γ|=0.772＞0.602(γ的起碼值)，lgN的標準差s=0.136 0.

將式(1)的均值線減去2倍的lgN的標準差(2s)，得到95%置信度的下限值方程［7］(即可靠度為97.7%的S-N曲線)

當N=200萬次時，應力幅值Δσ=103.09 MPa.

表1 疲勞試驗數據匯總Tab.1 Fatigue test results

將試樣的 Δσ-N曲線分別與Eurocode3［8］、《鋼結構設計規范》［9］、《鐵路橋梁鋼結構設計規范》［10］相近的細節曲線對比，Eurocode3中與試樣容許應力幅接近的為細節分類71(200萬次對應的容許應力幅為71 MPa);《鋼結構設計規范》中與試樣容許應力幅接近的為細節分類5(200萬次對應的容許應力幅為90 MPa);《鐵路橋梁鋼結構設計規范》中與試樣容許應力幅接近的為Ⅶ這個細節分類(200萬次對應的容許應力幅為99.9 MPa).

綜合對比分析各鋼結構設計規范細節曲線與試樣的 Δσ-N曲線發現(圖10)，Eurocode3該細節容許應力幅明顯低于試驗曲線所測的容許應力幅值，而我國《鋼結構設計規范》中細節5與《鐵路橋梁鋼結構設計規范》中細節類型Ⅶ與試樣的Δσ-N曲線較為接近，但容許應力幅值低于試驗值.

4 試樣的裂紋分析

疲勞試樣裂紋發生在焊根位置，由于試樣并非全部焊透，只能從側面觀察裂紋.試樣疲勞裂紋見圖11.

為了研究加載方式對該細節疲勞疲勞性能的影響，筆者又做了一個與前述加載方式不同的疲勞試驗，即將試樣旋轉180°后加載試驗.此試樣焊根距離加載位置更近，而焊趾距加載位置較遠，焊趾位置所受彎矩明顯高于焊根位置，但裂紋依然是從焊根中間位置產生，向兩端擴展(見圖12).這說明焊根的確為該處最危險部位.

圖12 試樣SY-1-1-13裂紋照片Fig.12 Cracks of specimen SY-1-1-13

5 結論

以九江長江公路大橋正交異性鋼橋面板U肋與橋面板焊縫細部構造為研究對象，通過建立實橋有限元模型對關注點進行有限元分析，制作合理的疲勞試樣.根據有限元計算和靜應力試驗掌握疲勞試樣的加載載荷與關注點應力的對應關系;通過試樣的疲勞試驗，研究了疲勞試樣所對應關注點的疲勞性能.對于非完全焊透形式，不管采用何種加載方式，頂板與U肋焊接處疲勞裂紋均發生在焊根處并向橋面板擴展，得到該處疲勞強度曲線為 lgN=13.758-3.704lgΔσ(可靠度為97.7%)，200萬次疲勞壽命的容許應力幅值為103.09 MPa，為大橋的疲勞壽命評估、健康檢測提供依據.

［1］SAMOL Y，KENTARO Y，TOSHIYUKI I.Fatigue E-valuation of Rib-to-Deck Welded Joints of Orthotropic Steel Bridge Deck［J］.Journal of Bridge Engineering，2011，16(4):492-499.

［2］XIAO Zhi-gang，KENTARO Y，SAMOL Y，et al.Stress analyses and fatigue evaluation of rib-to-deck joints in steel orthotropic decks［J］.International Journal of Fatigue，2008，38(8):1387-1397.

［3］周建林.蘇通大橋主橋鋼箱梁橋面板抗壓與疲勞性能試驗研究［D］.上海:同濟大學土木工程學院，2007.

［4］中交公路規劃設計院.JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［5］張啟偉，張鵬飛.正交異性鋼橋面板焊接節點應力集中系數［J］.同濟大學學報:自然科學版，2010，38(10):1428-1433.

［6］陳一馨，呂彭民，宋緒丁，等.鋼一混組合梁剪力釘抗剪性能試驗研究［J］.橋梁建設，2012，42(3):63-69.

［7］童樂為，沈祖炎.開口縱肋的正交異性鋼橋面板疲勞試驗研究［J］.中國公路學報，1997，10(3):59-60.

［8］European Committee for Standardization.EN 1993-1-9 Eurocode 3:Design of Composite Steel and Concrete［S］.2003.

［9］中華人民共和國建設部.GB 50017—2003鋼結構設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［10］中鐵大橋勘測設計院有限公司.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.