鋼橋面板頂板與豎向加勁肋連接角焊縫疲勞試驗

田 圓吉伯海楊沐野傅中秋姜竹生

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;2.江蘇省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局,江蘇南京 210004)

鋼橋面板頂板與豎向加勁肋連接角焊縫疲勞試驗

田 圓1,吉伯海1,楊沐野1,傅中秋1,姜竹生2

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;2.江蘇省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局,江蘇南京 210004)

為研究鋼橋面板頂板與豎向加勁肋連接角焊縫的疲勞性能,采用機(jī)械型振動疲勞試驗機(jī)對制作的9個試件進(jìn)行等幅疲勞加載,并通過名義應(yīng)力和熱點應(yīng)力2種方法對試件焊縫疲勞性能進(jìn)行評價。試驗結(jié)果表明:疲勞荷載作用下,試件疲勞裂紋開展路徑均從焊趾處萌生、沿焊趾開展、最終垂直于焊趾沿板橫向往兩側(cè)對稱擴(kuò)展。采用名義應(yīng)力法時,試驗結(jié)果均位于JSSC-G疲勞強(qiáng)度為50 MPa的S-N曲線上方;采用熱點應(yīng)力法時,試驗結(jié)果均位于Eurocode 3規(guī)范疲勞強(qiáng)度為100 MPa的S-N曲線上方。建議本試驗構(gòu)件疲勞細(xì)節(jié)的角焊縫疲勞強(qiáng)度取名義應(yīng)力50 MPa、熱點應(yīng)力100 MPa。

鋼橋面板;豎向加勁肋;角焊縫;疲勞試驗

正交異性鋼橋面板由于施工便捷、極限承載力高、自重小、造型美觀等特點,在國內(nèi)外橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用,幾乎運用于各種橋型[1]。但由于正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜,構(gòu)件間交錯連接和焊接部位多,在荷載作用及結(jié)構(gòu)本身缺陷、焊接殘余應(yīng)力等因素影響下極易出現(xiàn)疲勞破壞[2]。鋼橋面板疲勞分類、產(chǎn)生時間統(tǒng)計表明,大部分鋼橋面板頂板裂紋發(fā)生在通車30 a左右,少部分發(fā)生在通車7 a內(nèi)[3]。鋼橋面板疲勞裂紋初期檢測難、發(fā)展迅速,嚴(yán)重的可能會造成突發(fā)性橋面坍塌等事故。國外對各地區(qū)的鋼橋面板疲勞進(jìn)行了大量研究,并從疲勞損傷、裂紋路徑等方面對多種疲勞細(xì)節(jié)開展了大量試驗和分析工作[4],制定了較為系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范。

我國正交異性鋼橋面板的應(yīng)用發(fā)展迅速,已廣泛應(yīng)用于大跨橋梁。我國現(xiàn)行的公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范是交通部1986年頒布的《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5],該規(guī)范對于疲勞設(shè)計依舊采用容許應(yīng)力法,而新規(guī)范尚在修訂之中[6]?，F(xiàn)行的《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]中雖在構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線中加入了可靠度的方法,但在設(shè)計方法上依舊采用基于容許應(yīng)力法的無限壽命方法。盡管國內(nèi)學(xué)者近年來針對鋼橋面板的疲勞性能進(jìn)行了大量研究[8-11],但不足以適應(yīng)實際工程的需求發(fā)展。由于沒有成熟的設(shè)計參考,目前國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究單位大多借鑒國外規(guī)范[12]。

在正交異性鋼橋面板中,鋼橋面板與豎向加勁肋連接處角焊縫是典型的疲勞細(xì)節(jié)之一,在車輛荷載等因素作用下由于應(yīng)力集中、焊接缺陷等原因極易產(chǎn)生疲勞裂紋。本文針對該疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行試驗研究,并根據(jù)試驗結(jié)果,提出該疲勞細(xì)節(jié)的建議疲勞強(qiáng)度曲線,以期為鋼橋面板疲勞設(shè)計提供一定的試驗依據(jù)。

1 試件模型設(shè)計

1.1 試件尺寸及材料

試驗共設(shè)計制作9個試件,編號分別為SJ1-1～SJ1-9。依據(jù)我國實橋設(shè)計圖紙,豎向加勁肋與鋼橋面板頂板垂直相交,采用角焊縫圍焊方式連接固定。制作該焊縫疲勞細(xì)節(jié)的局部足尺模型,模型幾何尺寸設(shè)計借鑒類似疲勞細(xì)節(jié)試件[4],試件幾何尺寸設(shè)計如圖1所示。

試件材料與實橋材料一致,采用12 mm厚的橋梁專用Q345qD鋼板。經(jīng)檢測,該批次試件材料化學(xué)成分檢測結(jié)果及力學(xué)特性檢測結(jié)果符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》[13]標(biāo)準(zhǔn),鋼材屈服強(qiáng)度Re=453 MPa,抗拉強(qiáng)度Rm= 594 MPa,伸長度A=26%,彈性模量E=2.06×105MPa。

1.2 試件加工工藝

由于焊接質(zhì)量直接影響焊縫疲勞性能,因此試件加工工藝對試驗結(jié)果有重要影響。試驗試件委托國內(nèi)大型專業(yè)橋梁鋼結(jié)構(gòu)加工廠——中鐵寶橋(揚州)有限公司進(jìn)行加工;試件焊接加工工藝和實橋焊接加工工藝一致,采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行俯焊焊接,角焊縫焊腳尺寸為6 mm。焊前清除板件上焊縫周圍30 mm區(qū)域內(nèi)的銹蝕、污垢等。焊接工作由加工廠具有焊接資質(zhì)的焊接工人進(jìn)行。通過點焊立件,尾部使用引弧板,采用角焊縫圍焊一道焊順序完成焊接。焊縫包角處弧狀焊縫需嚴(yán)格要求,需要一次完成,不得斷弧,以減少焊縫包角處因分段焊接所引起殘余應(yīng)力不均等對試件焊縫包角處疲勞性能的潛在影響。焊接完成后切去引弧板,并對焊縫表面進(jìn)行清渣處理。焊接后變形的試件需進(jìn)行機(jī)械調(diào)直。通過統(tǒng)一的機(jī)械化及標(biāo)準(zhǔn)化操作流程,保證試件工藝水平和加工質(zhì)量穩(wěn)定。對加工完成后的試件逐個進(jìn)行磁粉探傷檢測以及超聲波探傷(Ⅰ級)檢測,檢測結(jié)果表明該批次試件合格。

2 試驗加載方案

2.1 測點布置

每個試件上布置4個測點(CD1～CD4),如圖2所示。根據(jù)歐洲規(guī)范Eurocode 3[14],熱點應(yīng)力通過測點應(yīng)力外推得到,測點布置有兩點外推及三點外推2種方式,本次試驗采用兩點外推法,角焊縫包角處焊趾部位熱點布置測點為CD1、CD2。名義應(yīng)力法對各個疲勞細(xì)節(jié)尚無統(tǒng)一的測點布置[15],本次試件測點布置參考同類型試驗[4]測點布置,以便試驗結(jié)果間進(jìn)行比較。名義應(yīng)力測點布置選擇角焊縫附近數(shù)值穩(wěn)定、受邊界條件和焊縫影響較小的測點,以便比較不同試件的受力和應(yīng)力狀態(tài)。名義應(yīng)力測點對稱布置為CD3、CD4。

2.2 試驗加載

試驗采用機(jī)械型振動疲勞試驗機(jī)對懸臂試件進(jìn)行彎曲疲勞加載。將試件一端與機(jī)架固定,在懸臂端固定機(jī)械型振動疲勞試驗機(jī),通過電機(jī)偏心轉(zhuǎn)動帶動試件上下振動,實現(xiàn)對試件的彎曲疲勞加載。試驗加載裝置如圖3所示。

根據(jù)名義應(yīng)力幅將9個試件分成3組進(jìn)行加載,3組名義應(yīng)力幅等級分別為60MPa、85MPa、110MPa,實際加載的名義應(yīng)力幅浮動范圍在10%以內(nèi)。若試驗中出現(xiàn)試件疲勞荷載循環(huán)超過1000萬次仍未檢測出裂紋,則定性為試件失效,提高名義應(yīng)力幅等級繼續(xù)試驗,其相關(guān)試驗數(shù)據(jù)需特別標(biāo)出,僅供參考。試驗實際疲勞加載參數(shù)見表1。

2.3 疲勞失效判定

試驗的疲勞失效判定以疲勞裂紋開展階段為基準(zhǔn),根據(jù)實橋疲勞裂紋路徑觀測,此類焊縫疲勞裂紋從圍焊端部弧型角焊縫焊趾處起裂,后垂直焊趾向兩側(cè)對稱開展。在試驗中,裂紋開展過程不便于肉眼觀測,超聲探傷儀器檢測亦不適用于裂紋動態(tài)開展的情況,因為疲勞加載中試件振動劇烈,超聲波探頭位置難以固定,影響判斷。本文試驗采用一種簡單有效的方式觀測疲勞試驗進(jìn)行中的裂紋擴(kuò)展情況,即裂紋擴(kuò)展氣泡動態(tài)指示法。疲勞加載過程中,在起裂部位噴涂少許除銹油,試件開裂位置由于裂紋開合使油體表面生成小氣泡,可以直觀有效地輔助判斷裂紋擴(kuò)展的位置?；跉馀輨討B(tài)指示檢測法,定義試件疲勞壽命采用的標(biāo)準(zhǔn)為:(a)N趾,初次觀察到焊趾處裂紋時的試件疲勞循環(huán)次數(shù),即裂紋萌生壽命。(b)N10,裂紋開展最長側(cè)的裂紋尖端到焊趾最近點距離為10 mm時,定性為試件疲勞破壞,對應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)定義為試件疲勞壽命。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

裂紋開展模式如圖4所示,由圖4可知其與實橋開展模式基本相同。根據(jù)觀測,該疲勞細(xì)節(jié)裂紋開展路徑方式較為一致,均從角焊縫包角處焊趾部位起裂,沿焊趾開展一段后垂直于焊趾方向沿板橫向向兩側(cè)開展。整個裂紋開展過程疲勞裂紋兩側(cè)開展速率基本一致,裂紋成對稱開展,如圖5所示。SJ1系列試件疲勞試驗結(jié)果見表2。

試件破壞后的疲勞破壞斷面如圖6所示。該疲勞破壞斷面最終形態(tài)一致,基本呈對稱開展的半橢圓形曲線,在斷面中間部位裂紋深度最大,并最終貫穿板厚方向。

3.2 疲勞強(qiáng)度評價

在國內(nèi),尚未見相關(guān)橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞規(guī)范或指南為鋼橋面板頂板與豎向加勁肋連接角焊縫疲勞細(xì)節(jié)提供可參考的S-N曲線。因此,基于歐洲規(guī)范Eurocode 3、日本鋼道路橋疲勞設(shè)計指南[16](簡稱為JSSC)、英國規(guī)范BS 5400[17]中的近似疲勞細(xì)節(jié)對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度曲線對本文試驗進(jìn)行評價和比對。將試驗結(jié)果與Yamada等[4]進(jìn)行的相似疲勞細(xì)節(jié)試件試驗結(jié)果(簡稱為JP)進(jìn)行比較。

試驗以N10作為疲勞失效的疲勞循環(huán)次數(shù),試驗數(shù)據(jù)點全部落在JSSC-G、BS 5400-F2的S-N曲線上方,部分?jǐn)?shù)據(jù)落在Eurocode 3對應(yīng)疲勞強(qiáng)度曲線下方,試驗數(shù)據(jù)點落在JP的試驗數(shù)據(jù)點群內(nèi),數(shù)據(jù)離散性較小,如圖7(a)所示。采用BS 5400-F2疲勞強(qiáng)度曲線評價,該疲勞細(xì)節(jié)偏安全;采用Eurocode 3對應(yīng)疲勞強(qiáng)度曲線評價該疲勞細(xì)節(jié),部分?jǐn)?shù)據(jù)點落在S-N曲線下方。根據(jù)試驗結(jié)果,建議采用JSSC-G疲勞曲線對該疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行評價,即建議采用疲勞強(qiáng)度為50 MPa的S-N曲線對鋼橋面板與豎向加勁肋連接處焊縫端部疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計和評價。試驗中N趾數(shù)據(jù)點落在JP的N趾點群中,且試驗試件裂紋萌生壽命總體比JP的試驗結(jié)果離散性小,如圖7(b)所示。

CD1和CD2依據(jù)熱點應(yīng)力兩點外推法進(jìn)行測點布置,兩點外推法公式為

式中:σhs——熱點應(yīng)力;σ0.4t、σ1.0t——距離熱點位置0.4t處及1.0t處的表面應(yīng)力,t為主板厚度。

根據(jù)式(1)對熱點應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值外推,以N10為疲勞失效評價標(biāo)準(zhǔn)的熱點應(yīng)力法試驗結(jié)果如圖8所示,其中ⅡW-90(ⅡW-100)代表國際焊接學(xué)會規(guī)定的鋼板與加勁肋該類結(jié)構(gòu)的S-N曲線標(biāo)準(zhǔn)為在200萬次加載下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度為90 MPa(100 MPa)。歐洲規(guī)范Eurocode 3的熱點應(yīng)力法焊接接頭疲勞細(xì)節(jié)分類不包括本文試驗試件疲勞細(xì)節(jié),采用類似疲勞細(xì)節(jié)對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度對試驗結(jié)果進(jìn)行比較參照。與名義應(yīng)力法相比,采用熱點應(yīng)力法評價該疲勞細(xì)節(jié)針對性更強(qiáng),可以反映復(fù)雜受力影響下焊縫疲勞裂紋開展的實質(zhì),但試驗結(jié)果的離散性更大,采用疲勞強(qiáng)度為100 MPa和90 MPa的2個等級疲勞曲線對試驗結(jié)果進(jìn)行評價結(jié)果均偏安全,對該疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計和評價建議可參考Eurocode 3中熱點應(yīng)力法疲勞強(qiáng)度為100 MPa的S-N曲線。

4 結(jié) 論

a.疲勞裂紋均從角焊縫包角處焊趾部位起裂,沿焊趾開展一段后垂直于焊趾方向沿板橫向兩側(cè)開展。疲勞裂紋兩側(cè)開展速率基本一致,裂紋成對稱開展。

b.通過參考比對Eurocode 3、JSSC、BS 5400等規(guī)范類似名義應(yīng)力疲勞細(xì)節(jié)定義,建議采用JSSC中G等級的S-N曲線來設(shè)計與評價該疲勞細(xì)節(jié),本文試驗結(jié)果均位于JSSC-G(疲勞強(qiáng)度為50 MPa)的S-N曲線上方。對于本文試驗試件疲勞細(xì)節(jié),建議名義應(yīng)力疲勞強(qiáng)度采用50 MPa。

c.Eurocode 3中熱點應(yīng)力法兩類S-N曲線評價試驗結(jié)果均偏安全,建議試驗試件疲勞細(xì)節(jié)參考Eurocode 3熱點應(yīng)力疲勞強(qiáng)度100 MPa的S-N曲線。

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Fatigue experimental investigation of steel bridge deck plate and vertical stiffener connection fillet weld

TIAN Yuan1,JI Bohai1,YANG Muye1,FU Zhongqiu1,JIANG Zhusheng2
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Engineering Quality Supervision Bureau,Department of Communications of Jiangsu Province, Nanjing 210004,China)

In order to study the fatigue performance of a steel bridge deck and a vertical stiffener connection fillet weld,a mechanical vibration fatigue testing machine was used to test nine specimens with constant amplitude fatigue loading,and the fatigue performance of the welds of the specimens was evaluated with two methods,the nominal stress and hot spot stress methods.The test results show that,under the fatigue load,the specimens' fatigue crack initiation occurs on the weld toe,and then the cracks grow along the weld toe and finally extend in bilateral symmetrical manner along the plate transverse,which is perpendicular to the weld edge.With the nominal stress method,the test results are above theS-Ncurve in JSSC-G,which has a fatigue strength of 50 MPa.With the hot spot stress method,the test results are above theS-Ncurve in Eurocode 3 specification,which has a fatigue strength of 100 MPa.The results suggest that the fatigue strength of the fillet weld of the test specimens'fatigue details should be set at 50 MPa for nominal stress and 100 MPa for hot spot stress.

steel bridge deck;vertical stiffener;fillet weld;fatigue test

TG405

:A

:1000-1980(2014)05-0433-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.011

2013-09 25

國家自然科學(xué)基金(51278166);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20120094110009);江蘇省交通科學(xué)研究計劃(2013Y10-1)

田圓(1989—),女,江蘇鎮(zhèn)江人,碩士研究生,主要從事鋼橋疲勞與維護(hù)研究。E-mail:bs911@163.com

吉伯海,教授。E-mail:hhbhji@163.com