裝配式波紋鋼腹板組合箱梁足尺疲勞模型試驗研究

李佳，楊清梅

（同濟大學，上海 200092）

裝配式波紋鋼腹板組合箱梁足尺疲勞模型試驗研究

李佳，楊清梅

（同濟大學，上海 200092）

裝配式波紋鋼腹板組合箱梁是一種新型橋梁結構體系，目前尚無波紋鋼腹板疲勞性能評估方面的系統的理論，需要通過試驗研究來評估其疲勞性能。在總結分析國內外相關研究成果的基礎上，對一片足尺疲勞試驗梁進行了雙點加載疲勞試驗，并分析了疲勞加載對其結構性能的影響。結果表明：在相同荷載工況下，隨著疲勞加載次數的增加，跨中截面底板正應力逐漸增大，頂板正應力逐漸減小，同時跨中撓度逐漸增大。試驗梁在加載至985萬次時發生開裂。文章記錄試驗梁開裂時關鍵細節等效應力幅σR以及對應循環次數N，并將疲勞試驗得到的結果和JT規范相比照。

橋梁；波紋鋼腹板；疲勞試驗；疲勞壽命；足尺模型

1 試驗背景

在梁橋中使用波紋腹板能夠實現足夠的平面外剛度和抗屈曲能力而無須使用加勁肋或者加厚腹板。這類梁最初是在飛行器上使用，之后被應用與建筑和橋梁等土木工程。波紋鋼腹板組合箱梁腹板采用鋼板代替混凝土，可以減輕自重。縱向剛度低，可以解除箱梁腹板與頂底板的相互約束，減小溫差、干燥收縮、徐變的不利影響，同時預應力也不會轉移到鋼板上，預應力施加效率高。波紋鋼板抗剪強度較高，可以做的很薄但不用設置縱橫向加勁肋［1-3］。

在這些優點的基礎上，為了減少浪費，實現橋梁構件的預制化、工廠化、標準化生產，確保施工質量，現提出了一種裝配式波紋鋼腹板組合鋼箱。此充分發揮了波形鋼腹板箱梁橋的力學與施工性能優勢，工廠化流水線生產制作優勢等，具有極大的實用性及創新性。

目前國內對于波紋鋼腹板的研究主要集中在抗彎、抗剪、抗扭和穩定性能，對于疲勞性能相關的研究不是很全面。

國內外對波紋鋼腹板梁有一定的研究，相關的研究成果有如下幾個方面［4-8］。

①波形腹板鋼梁的疲勞強度比相對應帶加勁肋的平腹板鋼梁高約20%～50%。

②波形鋼腹板與底板焊縫折角處會出現應力集中，斜折與梁縱向的夾角是影響應力集中的一個主要因素。此外學者還發現，焊縫傾角和折線上曲線半徑等幾個幾何參數對應力集中也有重要影響。研究中發現，波紋鋼腹板梁的疲勞萌生位置多在斜折與曲線結合部位附近的焊趾處，沿受拉翼緣橫向擴展。

③波紋鋼腹板梁關鍵疲勞細節的疲勞壽命介于AASHTO疲勞設計S-N曲線的B級和C級疲勞細節之間。此外也有學者針對波紋鋼腹板鋼梁提出了疲勞壽命預測公式。

這些成果對于我們的研究有非常重要的參考價值，但是對于這種新型的裝配式波紋鋼腹板組合鋼箱，沒有對應的研究，另一方面對于波紋鋼腹板疲勞的研究還不夠全面，沒有系統的理論可供參考，為了推廣這種梁，對其進行疲勞試驗是必要的。

2 試驗概況

2.1 模型設計

本次實驗為了能真實反映此種裝配式波形鋼腹板組合鋼箱梁抗疲勞性能，模型的設計與制作遵循下述要求和原則：①采用 1∶1足尺比例模型；②試驗模型采用和實橋相同的材料，焊接和制作工藝也保持相同；③采用和實橋等效的邊界條件，包括力邊界和約束邊界條件。

模型的橫截面和波紋腹板的尺寸見圖1和圖2。梁高1.91m，頂板由0.1m混凝土和6.4mm厚鋼板構成，頂板上表面設置剪力鍵使混凝土與鋼板共同工作，頂板下表面與波紋腹板通過焊接連接，焊接方式為人工焊。底板由 6.4mm厚鋼套箱和內部混凝土構成，鋼套箱內布置剪力鋼筋，鋼套箱上表面與波紋腹板通過焊接連接，焊接方式為人工焊。

圖1 模型梁主梁截面（單位mm）

圖2 模 型梁波紋鋼腹板（單位mm）

2.2 疲勞實驗方案

實驗采用兩臺最大荷載 350kN，動載頻率范圍為0～10 Hz的疲勞實驗機進行雙點加載。為了考慮試驗梁在公路疲勞荷載作用下的疲勞安全性能，依據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64）使用疲勞荷載模型I和疲勞荷載模型II分別計算關鍵細節應力，要求疲勞試驗中盡可能模擬其應力狀態。最后從有限元模擬結果、試驗儀器行程范圍、試驗梁剛度及固有頻率等多個方面考慮，確定兩臺疲勞試驗機同步常幅正弦波荷載加載，疲勞加載上限值Pmax=300kN，下限值Pmin=100kN，動載頻率3Hz。疲勞試驗中，根據預估的疲勞壽命將試驗分成多個階段，每200萬次加載一個階段，每個階段加載完之后對試驗梁停機進行一次靜載試驗。

圖3 試驗模型加載示意圖

3 試驗結果及分析

依據試驗方案對足尺梁進行加載，疲勞試驗按預期穩定進行，在試驗進行至985萬次時，在梁跨中段底箱上表面出現裂紋。裂紋從折角附近的角焊縫萌生，然后沿著垂直縱向應力的方向上擴展。典型裂紋如圖4所示，此裂紋貫穿應變片FWJ6，應變片記錄了此疲勞細節的應力歷程。在試驗結束后對開裂底箱進行剖切，發現底箱混凝土有開裂。限于篇幅，本文主要通過幾個關鍵測點的測試結果對梁進行分析。

圖4 波紋折角疲勞細節裂紋

3.1 撓度

對試驗梁每200萬次進行一次靜力加載，兩個液壓千斤頂合力從0t到60t梁的撓度曲線見圖5。隨著疲勞加載次數的增加，梁的撓度有明顯的增大的趨勢，表明隨著疲勞加載次數的增加，梁的剛度逐漸降低。

圖5 試驗梁沿縱橋向撓度曲線

3.2 應力

不同疲勞加載次數時，距跨中5m截面在頂板，波紋腹板和底板上關鍵測點正應力的荷載-應力關系曲線如圖5所示。由于折扇效應，可以看到波紋腹板上正應力相對頂板和底板很小，隨著疲勞加載次數增加加載曲線沒有明顯變化規律。此截面頂板和底板加載曲線隨著加載次數增加沒有明顯規律性，但是頂板和底板的變化規律具有一定的相關性，在荷載幅相同的情況下，當底板關鍵測點FJ308應力幅增大時，頂板關鍵測點FJ305應力幅減少。

跨中截面在頂板，波紋腹板和底板上關鍵測點正應力的荷載-應力關系曲線如圖6所示。波紋腹板的加載曲線變化不大，且沒有規律性。但是跨中截面頂部關鍵測點FJ413，在荷載幅相同的情況下，隨著加載次數的增多，應力幅有明顯減小趨勢。而跨中底部關鍵測點FJ419則有明顯增加趨勢。此外跨中截面頂板和底板的變化規律具有一定的相關性，在荷載幅相同的情況下，當底板關鍵測點FJ419應力幅增大時，頂板關鍵測點FJ413應力幅減少。表明隨著加載次數的增加截面的截面特性發生了變化。

圖6 距跨中5m截面關鍵測點荷載-應力曲線

圖7 跨中截面關鍵測點荷載-應力曲線3.3 試驗梁疲勞壽命評估

根據梁開裂部位側面測點的應力幅值，基于線性疲勞累計損傷理論換算得到裂紋開裂時的等效應力幅值，測點等效應力與實際作用次數的 S-N曲線如圖8所示。

圖8 試驗結果在正應力強度曲線中位置

從圖中可以看出，本次實驗在 S-N曲線中對應的點在疲勞細節類別80和疲勞細節類別100之間。

4 結 論

①隨著疲勞加載次數的增加，試驗梁的截面特性發生改變，同樣加載條件下，隨著試驗次數增加，跨中底板應力增加，頂板應力減少。

②隨著疲勞加載次數的增加，實驗梁的剛度逐漸降低。

③本試驗梁關鍵疲勞細節疲勞壽命介于 JTG疲勞設計S-N曲線的細節類別80和疲勞細節類別100之間。

［1］王倩，賀君，劉玉擎，等.預應力折腹式組合箱梁橋構造特點及分析［A］.第五屆全國預應力結構理論與工程應用學術會議論文集［C］.2008.

［2］賀君，劉玉擎，陳艾榮.折腹式組合箱梁橋設計要點及結構分析［J］.橋梁建設，2008（2）：52-55.

［3］賀君，劉玉擎，陳艾榮.預應力折形鋼腹板組合箱梁橋的發展［A］.第四屆全國預應力結構理論與工程應用學術會議專輯［C］.2006.

［4］Harrison J.Exploratory fatigue test of two girders with corrugated webs［J］.British Welding Journal，1965，12（3）：121-125.

［5］Ibrahim SA，El-Dakhakhni WW，Elgaaly M.Behavior of bridge girders with corrugated webs under monotonic and cyclic loading［J］.Engineering Structures，2006，28（14）：1941-1955.

［6］Wang Z，Wang Q.Fatigue assessment of welds joining corrugated steel webs to flange plates［J］.Engineering Structures，2014，73：1-12.

［7］肖小艷.波形鋼腹板組合箱梁承載能力及疲勞損傷分析［D］.長沙：湖南大學，2009.

［8］楊麗.波紋鋼腹板組合箱梁疲勞性能研究［D］.西安：長安大學，2009.

U441+.4

A

1007-7359（2016）02-0086-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.031

李佳（1991-），男，湖南益陽人，同濟大學在讀碩士，研究方向：評定與加固。