大節(jié)段正交異性鋼橋面板模型疲勞試驗研究*

曾勇 楊長春 渠昱 譚紅梅

(1.重慶交通大學 山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室 400074;2.重慶交通大學 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心 400074)

引言

隨著國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的普及, 正交異性鋼橋面板在橋梁工程中的應(yīng)用也日趨廣泛。正交異性鋼橋面板是由縱向加勁肋和橫隔板連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu), 其中因橫隔板與縱向加勁肋正交, 且在相互垂直的兩方向上剛度不同而謂之正交異性[1]。正交異性鋼橋面板因構(gòu)造與受力復雜特殊、加工工藝繁瑣、焊縫數(shù)量眾多, 在車輛荷載的重復作用下, 常常易產(chǎn)生疲勞裂紋; 而疲勞裂紋的出現(xiàn)將危及正交異性鋼橋面板的正常使用及耐久性能[2,3]。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高, 區(qū)域范圍的人員流動頻繁, 貨物運輸需求也在增加, 所以橋梁交通流量以及車輛荷載相比原設(shè)計規(guī)范有明顯增長, 疲勞破壞現(xiàn)象在正交異性鋼橋面板中更早或更易產(chǎn)生[4]。

如今, 雖然對正交異性鋼橋面板的疲勞性能已有相對較多的研究[5～8], 但隨著加勁肋的形式、尺寸和間距或橋面蓋板厚度的改變, 使得正交異性鋼橋面板的疲勞受力會產(chǎn)生一定的偏差。由于構(gòu)造多變、工藝繁瑣、焊縫眾多等特性以及缺乏相關(guān)疲勞性能試驗研究, 便在某種意義上限制了正交異性鋼橋面板進一步的應(yīng)用和發(fā)展。本文以某大跨徑懸索橋的正交異性鋼橋面板為研究對象, 開展1∶2 縮尺的大節(jié)段模型疲勞試驗研究。節(jié)段模型平面尺寸為4.9m×4.45m, 著重研究正交異性鋼橋面板的關(guān)鍵細節(jié)的疲勞性能, 希望能為鋼橋面板設(shè)計的經(jīng)濟合理及安全耐用提供些許試驗參考, 豐富我國正交異性鋼橋面板疲勞試驗的數(shù)據(jù)庫。

1 節(jié)段模型設(shè)計

將懸索橋的吊桿簡化為彈性支座以模擬節(jié)段模型的邊界, 然后運用軟件對16m 的標準節(jié)段鋼箱梁進行計算分析, 以獲取模型試驗關(guān)鍵疲勞細節(jié)處主應(yīng)力及剛度的理論值; 然后依照實橋正交異性鋼橋面板1∶2 的比例對節(jié)段模型進行應(yīng)力分析計算, 其縱橋向的邊界情況按照簡支考慮, 而橫橋向按照兩邊豎直向下的位移被限制的情況考慮; 在車輪荷載影響區(qū)域內(nèi),使得關(guān)鍵細節(jié)處的測點(蘋果形開孔處和U 型肋與橫隔板相交焊縫端頭處)實測值應(yīng)與理論計算值保持相同。

鋼箱梁節(jié)段模型在綜合考慮各種實際影響因素下, 采用了比較適宜的縮尺比例1∶2; 同時也進行一定簡化, 橫橋向保留7個U 肋, 縱橋向保留3個橫隔板, 且端頭處采用10mm 厚的鋼板進行封頭處理; 節(jié)段模型順橋向4.45m, 橫橋向4.9m; U 肋間距為0.3m, 厚度4mm, 橫隔板間距為1.35m, 厚度4mm, 橋面頂板厚度7mm; 分別制作兩個高0.1209m、長2.4m、寬0.45m 的鋼箱作為橋面板順橋向端部的支座板, 以保證橋面板不傾斜; 在中橫隔板HG1 底部拼接一塊帶邊肋的梯形鋼板以盡可能真實模擬節(jié)段模型實際受力情況; 根據(jù)相似理論模擬實橋節(jié)段模型, 采用幾何、物理和邊界條件相似來進行設(shè)計。具體尺寸及構(gòu)造見圖1。

圖1 正交異性鋼橋面板構(gòu)造(單位: mm)Fig.1 Structure of orthotropic steel bridge deck(unit: mm)

2 節(jié)段模型制作及安裝

2.1 模型制作基本要求

正交異性鋼橋面板節(jié)段模型劃分為六個部件(中板一塊、邊板兩塊、支座板兩塊及一塊梯形鋼板)以使運輸便捷, 工廠制作實驗室安裝。正交異性鋼橋面板節(jié)段模型的制造應(yīng)從材料選取、拼裝方法到焊接工藝的整套流程全部與實橋的設(shè)計嚴格保持一致性。正交異性鋼橋面板為全焊接結(jié)構(gòu), 即作為整體受力結(jié)構(gòu), 其焊縫的力學特征須與基材保持一致。

正交異性鋼橋面板主體結(jié)構(gòu)均采用Q345qD鋼, 其化學成分及力學性能均應(yīng)符合《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591—2008)的相關(guān)要求;鋼板質(zhì)量等級為Ⅰ級, 且在靠近焊縫區(qū)域200mm以內(nèi)不得含有任何片狀夾層缺陷; 模型制造所用鋼板均要求按《厚鋼板超聲波檢驗方法》(GB/T 2970—2004)所述標準執(zhí)行探傷檢驗。由于鋼箱梁為全焊接結(jié)構(gòu), 焊縫數(shù)量較多、長度較長, 焊縫選擇熔透焊縫, 并須采取焊接變形小的坡口形式; 焊后要求對焊縫表面進行敲打處理, 以削減應(yīng)力集中的不利影響。

圖2 正交異性鋼橋面板Fig.2 Orthotropic steel bridge deck

2.2 模型安裝

本次試驗加載使用常應(yīng)用于橋隧、房屋、船舶及車輛等大型結(jié)構(gòu)或部件的動、靜態(tài)性能試驗研究的五通道結(jié)構(gòu)動態(tài)試驗系統(tǒng)(MTS Flex test GT Five Channel Dynamic Structure Testing System)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)結(jié)果高精度、加載過程穩(wěn)定等優(yōu)點。

MTS 儀器固定于門架上橫梁處, 其基本長度為3.31m(可伸長); 門架高約為6.11m, 其上橫梁高約為1.27m; 門架平面尺寸為4.9m ×4.45m, 其平面可操作空間尺寸為4m ×3.55m。由于該正交異性鋼橋面板節(jié)段模型的長度較長,故只能橫向擺放; 節(jié)段模型的支座板放置在已養(yǎng)護完成的0.6m ×0.6m ×0.6m 的混凝土試塊上,二者之間放置一塊長度合適的槽鋼以使二者間接接觸, 且槽鋼與混凝土試塊采取直徑42mm的螺紋鋼與地錨連接而固定; 節(jié)段模型分批運至安裝場地共計6個部件, 在分別采取龍門吊及叉車等設(shè)備搬運就位之后, 聘請參與建設(shè)實橋的焊接人員及機具按照設(shè)計標準進行現(xiàn)場焊接并組裝, 見圖3。

圖3 節(jié)段模型組裝就位Fig.3 Segment model assembly

3 節(jié)段模型測點布置

正交異性鋼橋面板節(jié)段模型測點主要由中橫隔板(HG1)測點及邊橫隔板測點、橫隔板備用測點、U 型肋測點、模型頂板測點及底部位移測點構(gòu)成, 以認知模型關(guān)鍵位置的應(yīng)變及變形的分布及變化情況。備用測點—編號前加C,U 型肋測點—編號前加U, 位移測點—編號前加S, 共計粘貼157 片應(yīng)變片(其中中橫隔板(HG1)共88 片)及布置6個位移測點(梯形鋼板底部下方設(shè)置3個豎直方向位移測點; 中橫隔板加勁肋側(cè)面設(shè)置3個水平方向位移測點,其支架固定于橋面板底部)。

圖4 為橫隔板HG1、HG2 和HG3 應(yīng)變測點的布置圖。橫隔板縱、橫向應(yīng)力數(shù)值比較接近,表征為板效應(yīng), 因此主要布置45°三向應(yīng)變花;中橫隔板HG1 增加梯形鋼板上設(shè)置的輔助測點以消除橫隔板底部翹曲效應(yīng)而盡可能模擬實橋?qū)嶋H受力情況; U 型肋底部主要承受拉力作用, 頂部受力情況較復雜, 故底部布置單向測點, 而頂部布置三向應(yīng)變花; 采用電阻應(yīng)變計進行此次疲勞試驗的應(yīng)力測試。

節(jié)段模型底部下方均勻設(shè)置3個電子位移百分表S01 ～S03, 以測量加、卸載過程中橋面板的撓度變形; 在中橫隔板HG1 加勁肋側(cè)面, 位于面板下大約20cm 位置處, 布置3個電子位移百分表S04 ～S06。

圖4 橫隔板HG1、HG2 和HG3 測點布置Fig.4 Layout of measuring points for HG1, HG2 and HG3 of the transverse diaphragm

4 節(jié)段模型加載

根據(jù)實際交通狀況, 參考BS5400 規(guī)范對橋梁設(shè)計疲勞荷載的規(guī)定, 通過荷載歷程計算分析, 以得到橋梁設(shè)計壽命內(nèi)的疲勞荷載頻譜值。運用Miner 線性累積損傷理論進行計算, 確定本文研究標準疲勞車輛的總重為325kN, 軸重取145kN, 沖擊系數(shù)1.15, 按1∶2 模型比例換算試驗加載軸重取42.5kN。考慮到交通發(fā)展及西部山區(qū)貨車軸重較大, 故試驗采用47.7kN 加載。

此次節(jié)段模型疲勞加載試驗的荷載加載劃分為兩類, 一類為橋面鋪裝等二期恒載作用15kN,另一類為車輛活載作用47.7kN; 前者須使用MTS 儀器的預(yù)加力功能實現(xiàn), 而后者通過MTS儀器進行加載。為盡量實現(xiàn)模擬車輛后軸的真實情況, 在MTS 儀器的著重器與鋼橋面板之間增設(shè)一個和儀器對應(yīng)的分力橋, 二者之間通過放置橡膠塊而實現(xiàn)間接接觸; 同時, 須保證分力橋有足夠抵抗變形的能力并避免向外側(cè)翹曲而實現(xiàn)達到模擬車輪的目的。

進行節(jié)段模型疲勞試驗之前需要進行預(yù)加載工作, 該工作完成且所得數(shù)據(jù)反映模型處于彈性狀態(tài)以后, 才開展疲勞試驗。疲勞試驗加載值為15kN ～62.7kN, 試驗過程中, 每達到一定循環(huán)次數(shù)時, 停止疲勞試驗而進行靜力加載試驗, 通過與相鄰前幾次的各應(yīng)變測點應(yīng)變值或位移測點變形值的大小變化, 檢查是否有裂紋產(chǎn)生或其他異常現(xiàn)象。循環(huán)次數(shù)分別達到5、10、20、50、80、100、150、200 萬次時, 觀察模型某些部位是否有存在開裂現(xiàn)象, 并進行靜載試驗。靜載試驗加載歷程為: 0kN→30kN→60kN→91.2kN, 達到最大加載值91.2kN 后進行對稱逐步卸載, 每當完成一次靜力加載或卸載, 待數(shù)值穩(wěn)定后都要進行多次應(yīng)變或位移測量、記錄工作。疲勞循環(huán)次數(shù)達到200 萬次后, 提高加載幅值, 具體數(shù)值見表1; 當循環(huán)次數(shù)達到260 萬次后, 終止此次疲勞試驗。

表1 疲勞試驗加載值Tab.1 Load value of fatigue test

5 節(jié)段模型試驗成果

現(xiàn)已有較多文獻對節(jié)段模型中高應(yīng)力區(qū)進行了分析研究, 低應(yīng)力區(qū)域通常也被認定其所產(chǎn)生的疲勞裂紋萌生及開展現(xiàn)象是由所受拉伸作用而造成的, 且正交異性鋼橋面板(閉口型)的疲勞有高周低幅的特點, 如果其橫隔板處的應(yīng)力幅較低, 則不會出現(xiàn)疲勞斷裂的現(xiàn)象[9,10]。因試驗測點較多以致測試數(shù)據(jù)也較多,且本文僅是要達到了解加載位置下橫隔板挖孔處的疲勞特征的目的, 所以只列出中橫隔板HG1 挖孔附近測點的數(shù)據(jù)成果。

5.1 中橫隔板HG1的測點靜力測試情況

每達到一定疲勞循環(huán)次數(shù)(200萬次以內(nèi))后所做的靜力加載試驗其測試結(jié)果列于圖5～圖7。

由圖5 ～圖7 分析可知,對稱測點其所測試數(shù)據(jù)與加載關(guān)系曲線出現(xiàn)對稱特征, 這是因為節(jié)段模型左右對稱布置且加載位置也具有對稱性; 靜態(tài)加載試驗過程中, 測點實測位移及應(yīng)變值與加載大致呈線性關(guān)系, 加載與卸載曲線比較對稱且有良好的可恢復性。

圖5 循環(huán)次數(shù)200 萬次以內(nèi)橫隔板部分靜力測試結(jié)果Fig.5 Partial static test results of the diaphragm within 2 million cycles

圖6 底部測點豎向相對位移平均值Fig.6 Average value of the vertical relative displacement of the bottom measuring point

圖7 順橋向測點水平相對位移平均值Fig.7 Average value of horizontal relative displacement of measuring points along the bridge

5.2 疲勞裂紋萌生及開展

當循環(huán)次數(shù)達到200 萬次后, 停機并檢查模型, 在6#蘋果形開孔右上側(cè)的159#和160#測點之間出現(xiàn)了約7.5mm 的疲勞裂紋, 而其余部位未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的產(chǎn)生; 繼續(xù)加載至260 萬次,該處裂紋擴展具體情況見表2 及圖8 所示。

表2 疲勞裂紋擴展情況Tab.2 Fatigue crack growth

圖8 疲勞裂紋的擴展Fig.8 Propagation of the fatigue crack

6 結(jié)論

以某大跨徑懸索橋的正交異性鋼橋面板為研究對象, 開展比例為1∶2 的大節(jié)段模型疲勞試驗研究, 試驗結(jié)果能反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律,能反映正交異性鋼橋面板的工作狀態(tài), 還可反映其關(guān)鍵細節(jié)的實際抗疲勞性能, 具有一定的工程參考意義, 也豐富了我國正交異性鋼橋面板疲勞試驗的數(shù)據(jù)庫。主要結(jié)論如下:

1.對稱測點其所測試數(shù)據(jù)與加載關(guān)系曲線出現(xiàn)對稱特征, 這是因為節(jié)段模型左右對稱布置且加載位置也具有對稱性。

2.靜態(tài)加載試驗過程中, 測點實測位移及應(yīng)變值與加載大致呈線性關(guān)系, 加載與卸載曲線比較對稱且有良好的可恢復性; 當應(yīng)力幅較高時,對稱性表現(xiàn)明顯, 而應(yīng)力幅較低時, 測量數(shù)據(jù)有一定程度的分散, 這可能是由于應(yīng)變片受力較小而產(chǎn)生漂移所導致。

3.6#蘋果形開孔右上側(cè)出現(xiàn)疲勞裂紋, 循環(huán)次數(shù)達到200 萬次時, 其長度約為7.5mm, 當循環(huán)次數(shù)達到260 萬次時, 裂紋擴展至31mm, 可見, 裂紋擴展率隨荷載增加而增大; 模型其余部位未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋。