懸索橋鋼桁加勁梁栓焊節點疲勞試驗研究

李小剛，姚永丁，韋 華，李 毅

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310014）

1 概述

山區大跨度橋梁建設中，鋼桁加勁梁因其運輸、施工的優勢而廣泛應用，如四渡河大橋、矮寨大橋、壩陵河大橋、菜園壩長江大橋等。這些鋼桁梁均采用整體節點，而整體節點的栓接、焊縫等關鍵部位疲勞往往控制結構設計。國內外雖進行了多次鋼梁焊接整體節點疲勞試驗研究[1-5]，但由于材料、焊接工藝、連接形式、構造細節的不同，其研究成果只能提供參考，針對具體設計，只能通過整體節點疲勞試驗，確定其疲勞性能，為橋梁設計提供參考依據。

某西部山區跨江橋梁，主橋采用主跨730 m的簡支鋼桁加勁梁懸索橋，橋梁全長914.1 m，橋寬20 m。

大橋主梁采用華倫式鋼桁加勁梁，加勁鋼桁梁由主桁架、上下平聯、橫向桁架組成，主桁高5.0 m，桁寬17.5 m，小節間長度5.0 m，一個標準節段長度10.0 m，在每小節處均設橫向桁架，如圖1所示。該橋鋼桁加勁梁主桁架上弦桿與主橫桁架之間的連接采用新型焊接小整體節點方案，如圖2所示。鋼桁架各桿件均為工廠組焊件，為減少鋼桁梁桿件的現場拼裝連接，將弦桿連同一個或兩個節點在工廠焊接成整體，現場用高強螺栓連接成桁架。

該橋鋼桁加勁梁主桁架上弦桿之間連接的栓焊節點構造復雜，為深入了解該栓焊整體節點的靜力性能和疲勞可靠性，為設計和施工提供依據，確保結構安全，對該節點進行疲勞性能試驗分析是非常必要的。

圖1 主桁架結構圖(單位：mm)

圖2 上弦桿主桁節點構造圖

2 疲勞荷載譜的確定

2.1 標準疲勞車的選取

我國《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）[6]中針對橋梁疲勞設計的車輛荷載沒有明確的規定，僅指出：進行疲勞強度驗算時，可根據橋梁的實際行車情況，選用實際經常發生的荷載組合中的車輛荷載進行計算。

相關研究表明，只有較重的車輛過橋才會引起橋梁構件的疲勞損傷，而小型車輛則不引起疲勞問題，如英國規范[7]BS5400認為總重在30 kN以上的車輛才產生疲勞影響，歐洲規范[8]Eurocode 1則認為軸重在100 kN以上時才產生疲勞影響。美國規范[9]ASSHTO中規定：橋梁車輛中產生疲勞的荷載采用車輛荷載，全橋布置一輛三軸設計貨車，總重325 kN，按最不利位置加載，由此產生的計算部位的應力幅△s作為計算疲勞積累損傷的依據。

英國規范[7]BS5400中的標準疲勞車輛是一輛重320 kN的四軸車，如圖3所示。根據我國湛江海灣大橋、蘇通長江大橋、貴州壩陵河大橋等的設計交通流量，通過對各種車型所占比例的分析，按等效的疲勞損傷原理，由等效軸重公式得到的等效標準疲勞車輛的總重在320 kN左右，與BS5400接近。所以，本研究中橋梁整體節點疲勞荷載的標準車輛采用英國規范[7]BS5400進行取值。

圖3 BS5圖圖0中標準疲勞車的軸重布置（單位：c m）

通過全橋空間有限元計算，確定主桁架弦桿軸力幅值最大的鋼桁加勁梁節點進行疲勞試驗。求出的一輛BS 5400標準疲勞車作用在不同車道下的節點主桁架軸力幅值，如表1所示。

表1 一輛BS5表表0標準疲勞車作用在不同車道的主桁架軸力幅值（單位：k N，正號為壓）

2.2 疲勞內力譜

在正常運營中，超過標準疲勞車作用的車輛只占全部通行車輛的一小部分。按美國規范[9]只占10%～20%（不同的公路類別不一樣），而按英國規范[7]BS5400則占20%～25%。參考國外的規范和研究成果，考慮到我國公路中大型貨車所占比例較高，而且超載現象比較普遍，本研究中對能引起疲勞損傷的車輛數按總交通量的30%進行計算。

偏于安全考慮，按我國《公路工程技術標準》（JTG B01—2003）[10]中規定的交通量計算，該橋（雙向4車道，時速60 km/h）能適應將各種汽車折合成小客車的年平均最大日交通量為15000 pcu。由上面分析，能引起疲勞損傷的車輛數占總交通量的30%，故每日單向貨車交通量為：

按照英國規范[7]BS5400規定，對于雙向4車道汽車專用線慢車道與臨車道的交通量按比值1.5∶1分配。由此可得在設計壽命100 a內，各車道通過的車輛數為：

主車道：nl=n4=2250×365×100×1.5/2.5=49275000（pcu）

超車道：n2=n3=2250×365×100×1.0/2.5=32850000（pcu）

根據模型試驗研究周期的要求，疲勞試驗一般都控制在幾百萬次以內，故根據疲勞損傷等效原則適當提高荷載幅值，從而減少循環次數。根據各車道產生的荷載幅值和相應的作用次數及BS5400關于沖擊效應和多車效應，由疲勞損傷累積理論，可把整體計算的內力幅值等效成循環次數為200萬次時的內力幅值，計算結果為：

式中：△Pupper為循環次數;n0為200萬次時主桁架弦桿的等效軸力幅分別為一輛BS 5400標準疲勞車作用在不同車道所引起的主桁架弦桿軸力幅及在設計壽命期內的相應作用次數；KF為多車效應調整系數，這里橋跨L=730 m，大于200 m，KB=P2/Pl=396.4/430.8=0.92，查表可得 KF=2.93；m 為S-N曲線斜率的負倒數，取m=3。

同理可得，循環次數n0為200萬次時斜腹桿的等效軸力幅△Pupper=1546 kN。

3 疲勞試驗模型

3.1 加載設備

參照大多數桁架整體節點的疲勞試驗方法，綜合考慮到節點模型制作的力學邊界條件、尺寸效應、加載條件、局部應力效應以及實驗室條件等各種因素的影響，決定本次試驗采用桁架加載。加載設備為MTS伺服加載系統為MTS 1000 kN，加載頻率最高為5 Hz。模型整體裝置及加載示意如圖4所示。

圖4 加載示意圖

3.2 模型相似比的確定

由上面疲勞試驗荷載的確定可以知道，對橋梁的實際整體節點尺寸進行疲勞試驗時，即足尺試驗時，循環次數n0為200萬次時主桁架弦桿的等效軸力幅為2598 kN，這需要較大的加載設備，且構件所需的試驗場地也很大，試驗室一般都很難滿足這兩個要求，通常的做法是將試驗構件進行一定比例的縮尺，通過減小試驗構件尺寸來降低所需加載力的大小。

根據實驗室條件，進行試驗的MTS伺服加載系統最大加載為1000 kN，加載頻率最高為5 Hz。由于加載越大，MTS伺服加載系統能提供的出力頻率越小，綜合考慮到加載設備實際加載能力和試驗周期要求，取實際加載為480 kN，加載頻率為2 Hz，即加載200萬次所需時間為11.5 d。

考慮節點是通過桁架加載，當MTS加載480 kN時，施加到弦桿上的軸力為720 kN，據此可以得到試驗節點的尺寸長度相似比：

桁架由上、下弦桿，腹桿，節點板幾部分構件組成，材料全部為鋼，考慮到模型試驗相似比1︰1.9之后，實橋與模型材料對照列于表2。實橋與模型鋼結構屈服強度和彈性模量一致。

表2 實橋與試驗模型材料對照

模型試驗的方法是以相似原理為依據，按相似原理進行模型設計。按相似準則可得到模型各物理量理論相似比，結果列于表3中，模型制作和加載布置按此表進行設計。

表3 模型各物理量理論相似比

按照模型試驗相似比制作的桁架模型及整體節點模型尺寸如圖5、圖6所示，模型中采用8.8S級M14螺栓。

圖5 試驗加載模型圖（單位：mm）

圖6 縮尺整體節點圖（單位：mm）

3.3 加載方案

根據試驗模型及加載力，制定加載方案如下。

（1）疲勞試驗荷載采用MTS 1000試驗機加載，疲勞荷載為常幅正弦波，加載頻率 2 Hz，試驗的終極循環次數為加至模型疲勞破壞或荷載循環200萬次。

（2）在試件跨中施加480 kN的豎向荷載幅，使模型上弦桿的軸力幅達到720 kN。實際加載時，加載下限為50 kN，加載上限為530 kN。

（3）加載試驗前，先對模型反復加卸載3次，以消除非線性等影響。

（4）疲勞試驗前(0次應力循環)，施加靜力荷載480 kN，對試驗模型的應力進行測試。

（5）試驗過程中，前期約每隔30萬次，即30萬次、60萬次、90萬次、120萬次，后期約每隔20萬次，即 140萬次、160次、180次、200萬次，停機一次，進行靜力試驗，靜力荷載480 kN，對試驗模型中最不利受力部位的應力場、應力范圍和最大應力進行測試。

（6）一旦發現裂紋，停機測量應力一次，并根據情況調整停機靜力試驗的頻次，而后采用裂紋擴展計觀測裂紋隨疲勞加載次數的擴展情況，如果需要，采取必要的止裂措施。

3.4 測試方案

試驗主要對整體節點的應變進行測試，根據有限元分析結果及實際構造特點，對試驗模型中最不利受力部位的應力場、應力范圍和最大應力進行測試。應力測點主要布置在：（1）弦桿焊縫兩側；（2）幾何突變或焊接構造復雜區域；（3）高應力區域；（4）節點板區域和高強度螺栓拼接端；（5）其它重要而又有代表性的部位。圖7為實驗應變測試點布置。其中：外側節點板應變片81片以字母W開頭，內側106片以字母N表示，對照節點板44片以字母L表示，腹板6片以字母H表示，共計237片。

圖7 節點內側應變測點布置（單位：mm）

4 試驗結果分析

4.1 靜力計算分析

計算根據設計圖紙采用大型通用有限元程序ANSYS建立計算模型，模型按照實際結構尺寸進行建模，為避免圣維南效應的影響，所有桿件長度均大于截面長邊尺寸的2倍以上。整個有限元模型共8122個節點，7926個單元，如圖8所示。

圖8 節點有限元分析模型

為驗證有限元邊界條件的正確性，將試驗疲勞0次循環下的480 kN靜載作用下的試驗結果與有限元計算作對比分析，有限元模型中只激活主桁平面內部分。圖9和圖10為有限元計算結果，可以看出，除去加載端局部效應外，節點絕大部分區域的應力均小于100 MPa，滿足受力要求，只在整體節點板的上、下圓弧過渡段出現200 MPa左右的集中應力，建議采取措施降低此處的集中應力。

表4為節點部分關鍵點的實測應力與計算結果的比較?？梢钥闯?，計算結果與試驗結果數值接近，應力分布與試驗結果一致，可以認為采取的邊界條件及試驗方案符合實際結構的受力特點。

表4 對比模型有限元計算結果與試驗結果比較（一）（單位：MP a）

4.2 疲勞試驗結果分析

經過對桁架試加載和調試，疲勞試驗于2010年12月7日正式開始，2010年12月23日結束，歷時16 d。在應力循環分別為0次、30.24萬次、60.48萬次、92.88萬次、123.84萬次、144.00萬次、164.16萬次、184.32萬次和200.16萬次停機后，在480 kN靜力荷載下模型全部237個測點的應力進行測試、對比，并對模型的變形進行測量。

圖11為部分關鍵點應力的變化對比情況?？梢钥闯?，在試驗荷載作用下測點的應力隨循環次數總體變化不大，說明結構在200萬次試驗荷載作用下仍具有良好的疲勞性能。

本次試驗采用的疲勞荷載、試驗模型為按照等效原理、相似原理進行換算和模擬后的結果，存在一定的誤差，但應力的分布規律、試驗數據基本上可以反映試件的工作狀態，試驗結果可以從一定程度上反映結構的實際抗疲勞性能。

4.3 疲勞強度安全評價

試驗結果表明，在整個疲勞加載200萬次的過程中，模型上各測點的應力值波動范圍很小，具有良好的重復性，結構各部分的應力狀態穩定，沒有發生因局部開裂、損傷而引起應力顯著變化的現象，在模型結構表面上沒有觀察到任何宏觀裂紋，說明沒有疲勞裂紋萌生或擴展。

圖11 關鍵點應力變化

對模型加載標準疲勞車作用下的桁架軸力，所有測點的應力均在40MPa以內，低于按照我國《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）[6]規定的各種構造細部的疲勞容許應力。

此外，疲勞試驗機在整個試驗過程中，行程和加載噸位的變化很小，沒有跡象顯示試驗過程中模型的剛度發生了變化。

5 結論

本研究對懸索橋鋼桁加勁梁主桁架上弦桿整體節點進行了靜力性能分析和1︰1.9的縮尺模型疲勞試驗。根據靜力計算及疲勞試驗結果，可得出以下結論。

（1）根據該橋的交通狀況與試驗設備、場地等條件，由疲勞損傷累積理論確定了試驗模型相似比，制定出疲勞荷載取值及加載方案。

（2）節點的靜力分析表明，在試驗荷載下，節點的絕大部分區域的應力均小于100 MPa，滿足受力要求，但整體節點板的上、下圓弧過渡段出現200 MPa左右的集中應力，建議采取措施降低此處的集中應力。

（3）節點疲勞試驗結果表明，在整個疲勞加載200萬次的過程中，模型上各測點的應力狀態穩定，沒有發生因局部開裂、損傷而引起應力顯著變化的現象，在模型結構表面上也未觀察到任何疲勞裂紋萌生或擴展。

（4）在標準疲勞車輛荷載作用下，節點各測點應力水平較低，滿足《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）[6]規定的各種構造細部的疲勞容許應力要求。

（5）該橋主桁架采用的整體節點構造細節在結構使用壽命期間及正常養護維修情況下，不會發生疲勞開裂，能夠滿足設計要求，且有一定的安全儲備。

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