鋼橋頂板與豎向加勁肋疲勞性能衰退影響分析

李 迪，吉伯海，傅中秋，田 圓，楊沐野

（河海大學土木與交通學院，江蘇南京 210098）

正交異性鋼橋面板因自重輕、極限承載力大、高度低、易于加工制造及施工周期短等優點，已被廣泛使用于大、中跨度橋梁中。20世紀80年代以來，正交異性鋼橋面板在中國得到了迅速發展。近年來，眾多大跨度長江大橋的建造更是促進了正交異性鋼橋面板的發展和應用。正交異性鋼橋面板由相互垂直的縱、橫向加勁肋和橋面頂板焊接形成整體，其結構復雜，連接多。焊接造成的殘余應力、橋面板直接承受車輪荷載的反復作用、結構本身存在的缺陷、施工質量以及早期設計時對正交異性橋面板疲勞裂紋產生的機理認識不透等綜合因素的影響，使得正交異性鋼橋面板易產生疲勞損傷［1－4］。

正交異性鋼橋面板中，頂板與豎向加勁肋連接細節是典型的易引起疲勞損傷的部位，日本結構委員會厚板焊接接頭調查研究分委會曾于2007年對日本阪神高速公路和首都高速公路鋼橋面板進行過統計，確定其為出現疲勞裂紋較多的構造細節之一［5］。頂板與豎向加勁肋連接細節承受疲勞荷載時，由于結構抗力的降低，導致疲勞性能衰退。而衰退過程中會發生疲勞應力幅的變化以及局部撓曲?，F有的研究［6］表明，構件的疲勞損傷伴隨著疲勞應力幅的變化，存在衰退現象。應力幅變化可以作為評價疲勞性能衰退的手段，目前大多數學者研究疲勞問題大多關注疲勞壽命、損傷累積以及維護，對疲勞性能衰退規律研究不多。僅有少數學者研究構造細節疲勞性能衰退時的應力幅變化，并依此判斷構造細節是否出現疲勞裂紋［7］。

結構的疲勞性能衰退是一個復雜的變化過程。研究結構的疲勞性能衰退有助于全面地了解其疲勞發展規律。作者擬針對鋼橋面板頂板與豎向加勁肋連接細節進行等幅加載的試驗，根據實驗結果研究其疲勞性能衰退規律，以期為鋼橋面板疲勞評估與養護提供參考。

1 試驗概況

本試驗的主要目的是研究正交異性鋼橋面板中頂板與豎向加勁肋焊接構造細節的疲勞性能衰退規律。試件尺寸依據實橋設計圖紙和類似構造細節選取，鋼橋面板頂板和豎向加勁肋的厚度均為12mm，試件模型及具體幾何尺寸如圖1所示。

本次試驗共有6個試件：3個熔透率為75%的角焊縫連接試件（簡稱為角焊縫試件）和3個全熔透焊縫連接試件（簡稱為全熔透焊縫試件），由中鐵寶橋（揚州）有限公司進行加工制造。試件材料采用Q345qD型號鋼材，焊接工藝為CO2氣體保護焊，與實橋焊接工藝保持一致。為確定該批試件的焊接質量，加工完成后對其進行了磁粉和超聲波探傷檢測。

圖1 試件幾何尺寸設計圖（單位：mm）Fig.1 The design of specimen geometry（units：mm）

試驗的加載裝置采用機械型振動疲勞試驗機［8］，如圖2所示。根據名義應力幅大小，分別進行3個等級的加載：55，80和100MPa。實際加載時，應力幅控制在10%以內浮動。加載結束以疲勞裂紋開展至距兩側焊趾30mm處為標準。

圖2 疲勞試驗加載方式示意Fig.2 Fatigue test diagram of loading method

根據實橋上該類裂紋擴展情況，該類焊接接頭疲勞裂紋是從焊縫包角焊趾處起裂并逐漸沿著板橫向延伸。為了研究試件在裂紋不同擴展階段的疲勞性能，本試驗采用直徑為0.03mm的細銅線，建立裂紋長度檢測機制，對裂紋擴展長度進行控制［9］。

依托細銅線檢測系統，疲勞裂紋開展如圖3所示，本次試驗定義了疲勞裂紋開展階段的標準：N趾為試件在焊縫包角焊趾處初次出現裂紋的應力循環次數；Nb為試件裂紋開展至兩側焊趾的應力循環次數；N10為試件裂紋開展至距加兩側焊趾10mm處的應力循環次數；N30為試件裂紋開展至距兩側焊趾30mm處的應力循環次數，此時判定試件已經破壞。

圖3 疲勞裂紋擴展示意Fig.3 Fatigue crack propagating diagram

為了研究焊縫焊趾附近應力幅的情況，在圍焊端部弧形焊縫焊趾處，按熱點應力法布置兩個測點，編號分別為CD1和CD2。由于各個疲勞細節的名義應力法測點布置尚未統一［10－11］，本次試件名義應力測點布置選擇焊縫附近數值穩定、受邊界條件和焊縫影響較小的兩個對稱測點，以便比較不同試件的應力幅變化，編號分別為CD3和CD4。具體測點布置如圖4所示。

圖4 測點布置示意（單位：mm）Fig.4 Measuring－point arrangement diagram（units：mm）

通過分析發現，CD3與CD4的應力幅－循環次數曲線是一致的，因此，本研究只以CD3的曲線作為代表，進行比較和分析。

2 試驗結果分析

2.1 應力幅變化規律

整個疲勞加載過程中的測點應力幅變化如圖5所示。從圖5中可以看出疲勞荷載作用下頂板與豎向加勁肋連接處應力幅變化的特點有：在疲勞加載的過程中，不同加載應力幅條件下測點應力曲線變化規律一致，CD1與CD2的應力幅變化相似，都在疲勞加載初期快速下降，之后應力幅下降變緩直至試件破壞。加載應力幅越高，試件的應力幅快速下降越早出現，試件越早進入快速疲勞衰退的階段。CD3的應力幅在整個加載過程中緩慢上升，并沒有出現應力幅突變。這種現象是因為加載時由于應力集中，疲勞裂紋起裂于靠近CD1的焊趾處。當裂紋逐漸開展后，起裂點附近的應力幅會隨著裂紋的開展而減小。而CD3測點由于距離裂紋開展位置較遠，應力幅較為穩定，僅在裂紋開展時緩慢上升。

圖5 疲勞試件應力幅變化Fig.5 Stress range variation of fatigue test specimens

2.2 裂紋開展規律

圖6 全熔透焊縫試件應力幅變化Fig.6 Stress range variation of weld melt－through specimens

3種加載應力幅下試件隨著裂紋開展過程的應力幅變化分別如圖6，7所示。從圖6，7中可以看出疲勞荷載作用下頂板與豎向加勁肋連接細節應力幅隨著裂紋開展的規律為：所有試件在疲勞加載初期未出現裂紋時應力幅變化較小，應力幅在N趾到N10階段CD1與CD2的疲勞應力幅快速下降，在N10到N30階段應力下降速率減小直至破壞。CD3的測點應力幅在N趾開裂之后緩慢上升，應力幅的變化率逐漸有增大的趨勢。

角焊縫試件的CD3測點在開始加載至裂紋開展到N10階段，其應力幅變化比全熔透焊縫試件的小。在N10階段之后，其應力幅顯著上升。這表明在加載前期時，角焊縫試件的疲勞性能比全熔透試件的衰退得慢，它抵抗疲勞衰退的性能好。

3 疲勞性能衰退影響因素分析

3.1 焊縫類型

圖7 角焊縫試件應力幅變化Fig.7 Stress range variation of fillet weld specimens

焊縫類型［12］是影響頂板與豎向加勁肋連接細節疲勞性能的一個重要因素。為了直觀地比較不同焊縫試件的疲勞性能衰退，采用裂紋開展單位長度時的應力幅變化作為試件疲勞性能的衰退速率來評價試件的疲勞性能。由于在試驗中實時觀測裂紋開展較為困難，以從試件起裂到破壞時的裂紋開展距離焊址30mm計算等效應力幅變化速率。

本次試驗中，兩種焊接試件所測得的應力幅變化速率對比見表1。100MPa加載應力幅下，CD3測點的應力幅變化速率最大為4.977MPa／mm，CD2的應力幅變化速率最小為2.727MPa／mm。當加載應力幅為100MPa時，角焊縫試件的應力幅變化速率均小于全熔透焊縫試件的。

80MPa加載應力幅變化的速率見表2。角焊縫試件的CD1和CD2測點應力幅變化速率均小于全熔透焊縫試件的，而全熔透焊縫CD3的測點應力幅變化速率較小。在整個加載過程中，角焊縫試件的CD3測點應力幅從開始加載直至N10階段都較為穩定，僅在試件將要破壞的N10至N30階段出現明顯的應力幅變化，因此，在80MPa加載應力幅下，角焊縫試件的疲勞性能衰退較慢。

55MPa的較低加載應力幅變化的速率見表3。雖然全熔透試件CD1和CD2兩測點的應力幅變化速率均比全熔透焊縫試件的略大，但是，它們相差沒超過15%，差異并不明顯。而CD3測點的應力幅變化速率小，因此，在55MPa加載應力幅下，角焊縫試件的應力幅變化速率比全熔透焊縫試件的小。

在100，80和55MPa3種加載應力幅下，角焊縫試件的應力幅變化速率均比全熔透試件的小，其疲勞性能衰退較慢，因此，在本次試驗中，角焊縫連接細節的疲勞性能比全熔透連接細節的好。

表1 100MPa加載應力幅變化的速率Table 1 Variation rate of stress range under 100MPa loading stress

表2 80MPa加載應力幅變化的速率Table 2 Variation rate of stress range under 80MPa loading stress

表3 55MPa加載應力幅變化的速率Table 3 Variation rate of stress range under 55MPa loading stress

3.2 加載應力幅

試驗現象表明，較高加載應力幅下的疲勞性能衰退會加快，因此，在加載應力幅變化時，會對試件應力幅變化的速率產生影響。

全熔透焊縫試件在55，80和100MPa 3種加載應力幅下應力幅變化的速率逐漸增大，并且在100MPa下應力幅變化的速率要明顯大于在80MPa下應力幅變化的速率。由此可見，加載應力幅越大，全熔透焊縫試件應力幅變化的速率越大，其疲勞性能衰退越快。

在不同加載應力幅下，角焊縫試件應力幅變化的速率沒有明顯規律?？赡苡捎谠嚰盗坑邢?，對此種現象有待于進一步的試驗論證。

4 結論

1）裂紋開展過程中，全熔透焊縫試件相對于角焊縫試件，其應力幅衰退變化更顯著。

2）試件疲勞裂紋開展至距離焊趾處10mm時，試件疲勞性能衰退較快。試件疲勞裂紋開展至距離焊趾處超過10mm后，試件疲勞性能衰退速率逐漸降低。

3）本次試驗中，75%熔透率角焊縫試件的疲勞性能衰退比全熔透焊縫試件的慢，75%熔透率角焊縫試件的疲勞性能比全熔透焊縫試件的好。

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