正交異性鋼橋面板U肋與橋面板焊縫連接處疲勞試驗(yàn)研究

呂彭民，李大濤

(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

0 引言

U肋與橋面板之間焊縫處出現(xiàn)疲勞裂紋是正交異性橋面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋的主要形式之一.數(shù)十年前此裂紋在日本正交異性鋼橋上被發(fā)現(xiàn)并且受到了越來越多的關(guān)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(jìn)行了比較精細(xì)的應(yīng)力分析與疲勞評估，根據(jù)其分析結(jié)果，當(dāng)輪載位于圖1所示位置時，焊根、焊趾位置所受的壓應(yīng)力比較大.通常認(rèn)為壓應(yīng)力不產(chǎn)生裂紋，而實(shí)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(yīng)力，使焊根、焊趾處實(shí)際上的應(yīng)力幅一直處于拉應(yīng)力狀態(tài).周建林［3］曾對橋面板與U肋的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試，測試結(jié)果為在U肋與頂板焊縫連接處的5 mm內(nèi)，橋面板的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到140 MPa，相當(dāng)于材料屈服強(qiáng)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(nèi)部，使得裂紋的監(jiān)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(xì)部結(jié)構(gòu)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(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析

當(dāng)車輪位于如圖1所示位置時，已經(jīng)知道U肋與橋面板焊縫易出現(xiàn)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(kuò)展或者向U肋擴(kuò)展.筆者所設(shè)計(jì)的疲勞試樣主要用來模擬從焊根處向橋面板進(jìn)行擴(kuò)展的裂紋.

參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［4］中車輛載荷的主要技術(shù)指標(biāo)，車輛中后軸的重力標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)r青鋪裝層的厚度為55 mm，輪載按照45°方向進(jìn)行擴(kuò)展到橋面板上，輪載擴(kuò)散到橋面板上后寬度及長度為0.71 m×0.31 m.假設(shè)一輛疲勞載荷車沿實(shí)橋橫向運(yùn)行一遍，以此來查看輪載位于何位置時圖1中焊根位置應(yīng)力幅最大.利用有限元軟件建立一個實(shí)橋梁段的計(jì)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(guān)注點(diǎn)的位置和輪載的運(yùn)行方向，關(guān)注點(diǎn)為圖1中焊根處裂紋易發(fā)生的位置.

圖2 實(shí)橋中關(guān)注點(diǎn)位置Fig.2 Concerned point in bridge

關(guān)注點(diǎn)在整個輪載運(yùn)行過程中的應(yīng)力時間歷程見圖3.關(guān)注點(diǎn)橋面板底面x方向(橫橋向)最大應(yīng)力為75.3 MPa，此刻輪載位置如圖1中所示.有限元計(jì)算結(jié)果為橋面板底面處于受壓狀態(tài)，但若與此處的殘余拉應(yīng)力疊加，則此處實(shí)際受力為拉應(yīng)力狀態(tài)，故有可能產(chǎn)生疲勞裂紋.為了準(zhǔn)確分析此處焊縫位置受力情況，在圖2中關(guān)注點(diǎn)位置建立焊縫的實(shí)體子模型，如圖4所示，對關(guān)注點(diǎn)焊縫位置進(jìn)行精細(xì)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(wǎng)格細(xì)化，焊根和焊趾處的單元大小為0.5 mm，子模型焊縫按照實(shí)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(yīng)力變化示意圖，對比兩處可以很明顯得出焊根位置應(yīng)力大于焊趾處應(yīng)力，并且兩處的應(yīng)力都為壓應(yīng)力，而橋面板表面為拉應(yīng)力，故焊根相較于焊根趾更容易產(chǎn)生疲勞裂紋.根據(jù)所截取的子模型，為了確保焊縫位置受拉應(yīng)力以及適應(yīng)疲勞試驗(yàn)機(jī)加載方式，將試樣與夾具設(shè)計(jì)成圖7所示.試樣所選材料為Q345qD，與實(shí)橋材料相同，焊接工藝與實(shí)橋相同.

圖7 試樣與夾具Fig.7 Specimen and fixture

2 疲勞試樣應(yīng)力分析

為了檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者進(jìn)行了疲勞試樣的靜應(yīng)力測試.根據(jù)國際焊接協(xié)會推薦，可取距離焊趾1.5t(t為板厚)［5］處的應(yīng)力作為名義應(yīng)力，故將應(yīng)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(yīng)變片2、5、8分別距焊趾24 mm、焊根5 mm和焊根24 mm.在應(yīng)變片2、5、8 左右各布置一個應(yīng)變片，分別為 1、3、4、6、7、9 6 個應(yīng)變片.一則可以對比應(yīng)變片2、5、8 所測數(shù)據(jù)，二則可以檢查試樣在加載過程中是否偏載以及計(jì)算偏載量.

靜載試驗(yàn)在SD-500電液伺服動靜試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)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(jìn)行.最大荷載可以保證試樣處于彈性變形階段.靜載測試結(jié)果與有限元分析結(jié)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(yàn)值與ANSYS計(jì)算值對比曲線(——×試驗(yàn)值，——■—計(jì)算值)Fig.9 Comparison of experimental results and ANSYS simulated results

由圖9可知，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為吻合， 從而可得到加載力與對應(yīng)位置應(yīng)力之間的關(guān)系.

3 試樣疲勞試驗(yàn)

疲勞試樣共進(jìn)行了13個試樣的疲勞試驗(yàn)，有效數(shù)據(jù)共計(jì)9個，9個有效數(shù)據(jù)見表1.根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(dāng)N=200萬次時，應(yīng)力幅值Δσ=122.1 MPa.

相關(guān)系數(shù)|γ|=0.772＞0.602(γ的起碼值)，lgN的標(biāo)準(zhǔn)差s=0.136 0.

將式(1)的均值線減去2倍的lgN的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)N=200萬次時，應(yīng)力幅值Δσ=103.09 MPa.

表1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總Tab.1 Fatigue test results

將試樣的 Δσ-N曲線分別與Eurocode3［8］、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］、《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］相近的細(xì)節(jié)曲線對比，Eurocode3中與試樣容許應(yīng)力幅接近的為細(xì)節(jié)分類71(200萬次對應(yīng)的容許應(yīng)力幅為71 MPa);《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中與試樣容許應(yīng)力幅接近的為細(xì)節(jié)分類5(200萬次對應(yīng)的容許應(yīng)力幅為90 MPa);《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中與試樣容許應(yīng)力幅接近的為Ⅶ這個細(xì)節(jié)分類(200萬次對應(yīng)的容許應(yīng)力幅為99.9 MPa).

綜合對比分析各鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范細(xì)節(jié)曲線與試樣的 Δσ-N曲線發(fā)現(xiàn)(圖10)，Eurocode3該細(xì)節(jié)容許應(yīng)力幅明顯低于試驗(yàn)曲線所測的容許應(yīng)力幅值，而我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中細(xì)節(jié)5與《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中細(xì)節(jié)類型Ⅶ與試樣的Δσ-N曲線較為接近，但容許應(yīng)力幅值低于試驗(yàn)值.

4 試樣的裂紋分析

疲勞試樣裂紋發(fā)生在焊根位置，由于試樣并非全部焊透，只能從側(cè)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(xì)節(jié)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(yàn)，即將試樣旋轉(zhuǎn)180°后加載試驗(yàn).此試樣焊根距離加載位置更近，而焊趾距加載位置較遠(yuǎn)，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(chǎn)生，向兩端擴(kuò)展(見圖12).這說明焊根的確為該處最危險(xiǎn)部位.

圖12 試樣SY-1-1-13裂紋照片F(xiàn)ig.12 Cracks of specimen SY-1-1-13

5 結(jié)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(xì)部構(gòu)造為研究對象，通過建立實(shí)橋有限元模型對關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，制作合理的疲勞試樣.根據(jù)有限元計(jì)算和靜應(yīng)力試驗(yàn)掌握疲勞試樣的加載載荷與關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系;通過試樣的疲勞試驗(yàn)，研究了疲勞試樣所對應(yīng)關(guān)注點(diǎn)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(fā)生在焊根處并向橋面板擴(kuò)展，得到該處疲勞強(qiáng)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(yīng)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(jù).

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