江陰大橋節(jié)段式鋼箱梁的疲勞性能研究*

饒建輝，韓曉東，汪 鋒，張 劍，艾 軍

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

江陰大橋節(jié)段式鋼箱梁的疲勞性能研究*

饒建輝1，韓曉東2，汪 鋒1，張 劍2，艾 軍2

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

針對(duì)一些現(xiàn)役鋼箱梁橋梁上發(fā)現(xiàn)的病害，以江陰大橋鋼箱梁焊接細(xì)節(jié)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了節(jié)段式鋼箱梁焊接細(xì)節(jié)模擬試件，研究了該試件在疲勞荷載作用下的疲勞性能。研究顯示，在疲勞試驗(yàn)開(kāi)始前，試件上的測(cè)點(diǎn)a～f在25 kN靜荷載作用下的應(yīng)力值分別為255.57、261.50、221.34、224.39、167.11和177.71 MPa；在加載上/下限值為25 kN/5 kN、頻率為3 Hz的疲勞荷載后，試件從產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的裂紋到破壞需要0.57萬(wàn)次；基于殘余應(yīng)變的累計(jì)損傷公式可以較好地反映該試件的損失發(fā)展過(guò)程。

鋼箱梁；疲勞試驗(yàn)；殘余應(yīng)變；損傷

伴隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、交通事業(yè)的進(jìn)步、橋梁設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的不斷完善，我國(guó)各地相繼興建了一大批大跨度鋼箱梁公路橋梁，如虎門大橋、江陰大橋、南京二橋、蘇通大橋以及西堠門大橋等。隨著時(shí)間的推移，相關(guān)人員陸續(xù)地在一些大跨度鋼箱梁橋梁中發(fā)現(xiàn)了一些病害。如周怡斌[1]在2008年發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)某橋出現(xiàn)了大量橋面板裂縫。張麗芳[2]等詳細(xì)調(diào)研了國(guó)內(nèi)江陰大橋、虎門大橋和西陵長(zhǎng)江大橋鋼箱梁的病害種類、病害特點(diǎn)及主要發(fā)生部位。橋梁病害的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致了災(zāi)難性的事故，如2001年11月7日清晨，我國(guó)宜賓金沙江橋[3]的4對(duì)短吊桿由于腐蝕疲勞突然斷裂，局部橋面墜落江中；因此，對(duì)橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究，具有重大的工程意義和現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)一些現(xiàn)役鋼箱梁橋梁上發(fā)現(xiàn)的病害，本文以江陰大橋鋼箱梁焊接細(xì)節(jié)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了節(jié)段式鋼箱梁焊接細(xì)節(jié)模擬試件，并研究了該試件在上/下限值為25 kN/5 kN、加載頻率為3 Hz的疲勞荷載作用下的疲勞性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件與測(cè)試內(nèi)容

本次試驗(yàn)使用的試件如圖1所示，試件材料為Q345b鋼，焊接材料為E50型。

圖1 節(jié)段式鋼箱梁試件的尺寸

本次試驗(yàn)主要測(cè)試縱肋和橋面板之間坡口焊的疲勞強(qiáng)度，因此在縱肋與橋面板上均粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片的粘貼位置為離坡口焊焊根15 mm處[4]，在沿縱肋方向上(距端面30、90、150和210 mm處)粘貼4組，即每個(gè)試件粘貼24個(gè)應(yīng)變片。為了便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和盡量減少因貼片位置引起的誤差，本次試驗(yàn)取6個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)，并把每個(gè)測(cè)點(diǎn)上4個(gè)應(yīng)變值的算術(shù)平均值作為該位置測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

圖2 測(cè)點(diǎn)的布置位置

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用正弦波常幅加載，疲勞荷載上/下限值為25 kN/5 kN，加載頻率為3 Hz。具體的試驗(yàn)過(guò)程為如下。

1)預(yù)加載。將試件兩端鉸支，中間單點(diǎn)加載，疲勞試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器與試件蓋板之間放置表面尺寸為300 mm×200 mm的鋼板和橡膠板各1塊，用以模擬均布作用的車輪荷載。荷載作用中心落在試件整個(gè)蓋板的中心位置。在正式試驗(yàn)前對(duì)試件施加荷載，使得試件與支座剛好接觸時(shí)停止。

2)第1次靜載。分六級(jí)加載至疲勞荷載上限25 kN，即分別在0、5、10、15、20和25 kN各級(jí)靜荷載作用下等待一段時(shí)間，待應(yīng)變數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，然后卸載到0 kN。

3)動(dòng)載。第1次靜載試驗(yàn)完成后，將試驗(yàn)機(jī)設(shè)置為動(dòng)態(tài)加載，反復(fù)調(diào)節(jié)，保持疲勞荷載穩(wěn)定。當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)N分別達(dá)到1、2、4、8、12、16、22、28、34和42萬(wàn)次等時(shí)停機(jī)，然后分6級(jí)加載至25 kN，記錄在0、5、10、15、20和25 kN各級(jí)靜荷載作用下各應(yīng)變片的讀數(shù)，之后卸載到0繼續(xù)加動(dòng)載。

4)試驗(yàn)結(jié)束。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)位置超限時(shí)，停止試驗(yàn)，記錄承受循環(huán)荷載的次數(shù)及疲勞破壞特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

本次試驗(yàn)的試件疲勞壽命為18.57萬(wàn)次。在18萬(wàn)次以前，試件沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂紋。當(dāng)荷載循環(huán)到18萬(wàn)次時(shí)，從FTS多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)機(jī)的軟件界面中發(fā)現(xiàn)，隨著加載次數(shù)的增加，撓度荷載曲線整體發(fā)生了偏移，由此可以斷定試件產(chǎn)生了比較大的裂紋，此時(shí)觀察試件的表面，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)a和b2處涂層出現(xiàn)明顯可見(jiàn)的微裂紋。當(dāng)循環(huán)到18.3 萬(wàn)次后，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)b處涂層裂紋連貫成1條大裂紋，但未形成貫穿整個(gè)鋼板面的裂紋。大約循環(huán)到18.4萬(wàn)次時(shí)，涂層裂紋貫穿于整個(gè)鋼板平面。循環(huán)到18.57萬(wàn)次時(shí)，試驗(yàn)機(jī)位置超限而自動(dòng)停機(jī)。

2.2 疲勞試驗(yàn)

本次試驗(yàn)選取測(cè)量靜載時(shí)的靜應(yīng)變代替循環(huán)到一定次數(shù)下的動(dòng)應(yīng)變[5]，并由此分析測(cè)點(diǎn)位置處的殘余應(yīng)變，得到試件在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的損傷發(fā)展情況。試件各測(cè)點(diǎn)位置在特定疲勞次數(shù)下的應(yīng)變隨加載等級(jí)變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化情況基本上隨外荷載線性增加而線性變化。在外荷載的作用下， 測(cè)點(diǎn)a和b處應(yīng)

變變化的幅度較大，點(diǎn)c和d處次之，點(diǎn)e和f處最??；從各循環(huán)階段開(kāi)始時(shí)所測(cè)得的殘余應(yīng)變值可以發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)變的值在穩(wěn)定的增加，增幅較大的為測(cè)點(diǎn)a和b，其次為測(cè)點(diǎn)c和d，最后為測(cè)點(diǎn)e和f。

圖3 試件各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨荷載變化曲線

2.3 基于殘余應(yīng)變的累積損傷研究

2.3.1 損傷變量的定義

研究疲勞破壞的方法很多，疲勞損傷積累理論認(rèn)為，當(dāng)零件或構(gòu)件所受應(yīng)力高于疲勞極限時(shí)，每一次載荷循環(huán)都對(duì)零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí)，零件或構(gòu)件將發(fā)生疲勞破壞。潘華[6]通過(guò)理論推導(dǎo)出損傷變量D與累積殘余塑性應(yīng)變?chǔ)舝的關(guān)系，并且通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)混凝土的殘余應(yīng)變值驗(yàn)證了這個(gè)公式，而余波[7]則通過(guò)對(duì)蘇通大橋橋面板試件的試驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的正確性。具體的損傷變量D定義如下：

(1)

2.3.2 損傷變量的計(jì)算

本次試驗(yàn)中，由于無(wú)法測(cè)出試件在破壞時(shí)的應(yīng)變片讀數(shù)，所以無(wú)法知道測(cè)點(diǎn)最終的損傷值大小。通常D=0表示材料未損傷，D=1表示材料全部損傷。本文取最終的損傷值D為1，取裂紋萌生和擴(kuò)展階段的損傷值D為0.5。試件測(cè)點(diǎn)a疲勞殘余應(yīng)變變化曲線和損傷變化曲線如圖4所示。觀察圖4b可以發(fā)現(xiàn)，試件損傷大致可分為3個(gè)階段，第1個(gè)階段為1條直線，第2段曲線緩慢發(fā)展，曲線走勢(shì)與指數(shù)函數(shù)相似，第3段曲線發(fā)展迅速，也為1條曲線。本文采用下述分段函數(shù)來(lái)描述整個(gè)壽命過(guò)程中的損傷累積規(guī)律，分段函數(shù)為：

(2)

式中，x=n/N，n為實(shí)際循環(huán)次數(shù)，N為疲勞壽命；D1、D2、D3為各階段損傷值；a1、b1、b2、c1、c2為系數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到試件的損傷累積公式為：

(3)

圖4 試件測(cè)點(diǎn)a疲勞殘余應(yīng)變變化曲線圖和損傷變化曲線圖

試件損傷模型與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖5所示，由圖5可以看出，本文提出的損傷模型較好地反應(yīng)了測(cè)點(diǎn)處損傷的發(fā)展過(guò)程。文獻(xiàn)[7]與試件損傷模型對(duì)比圖如圖6所示，由圖6可以看出，本文提出的損傷模型較好地反應(yīng)了文獻(xiàn)[7]中測(cè)點(diǎn)處損傷的發(fā)展過(guò)程。事實(shí)上，式2中的系數(shù)并不是常數(shù)，而是應(yīng)力水平、外界環(huán)境和加載方式等的函數(shù)，因此，本文提出的損傷公式只適用于同本文試驗(yàn)條件相同的累積損傷研究。

圖5 試件損傷模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖6 試件損傷模型與文獻(xiàn)[7]實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)一些現(xiàn)役鋼箱梁橋梁上發(fā)現(xiàn)的病害，對(duì)江陰大橋鋼箱梁試件的疲勞性能進(jìn)行了研究。疲勞試驗(yàn)開(kāi)始前，測(cè)點(diǎn)a～f在25 kN恒定荷載作用下的應(yīng)力值分別為255.57、261.50、221.34、224.39、167.11和177.71 MPa；在上/下限值為25 kN/5 kN、頻率為3 Hz的疲勞荷載作用下，鋼箱梁試件從產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的裂紋到破壞需要0.57萬(wàn)次；基于殘余應(yīng)變的累計(jì)損傷公式可以較好地反映鋼箱梁試件的損失發(fā)展過(guò)程。研究結(jié)論可供工程設(shè)計(jì)參考。

[1] 周怡斌.公路大橋正交異性鋼橋面板裂縫成因研究及局部疲勞分析[D].北京：清華大學(xué),2010.

[2] 張麗芳,艾軍,張鵬飛,等.大跨度鋼箱梁病害及成因分析[J].公路與汽運(yùn),2013(3):203-206.

[3] 錢冬生.科學(xué)地對(duì)待橋渡和橋梁[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.

[4] 錢冬生.關(guān)于正交異性鋼橋面板的疲勞[J].橋梁建設(shè),1996(2)：9-11.

[5] 李榮.角焊縫搭接接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[6] 潘華.混凝土受彎構(gòu)件疲勞性能的試驗(yàn)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[7] 余波.基于實(shí)測(cè)應(yīng)變的正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)部疲勞壽命評(píng)估[D].南京:東南大學(xué),2009.

*江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司資助項(xiàng)目(GCJS2014-37)

責(zé)任編輯彭光宇

StudyontheFatiguePropertiesofSectionalSteelBoxGirderinJiangYinBridge

RAO Jianhui1，HAN Xiaodong2，WANG Feng1，ZHANG Jian2，AI Jun2

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521，China；2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016，China)

Owning to some disease found in the active steel box girder bridge, this paper takes the JiangYin bridge steel box girder welding details as sample, and designs the specimen about the details welding of sectional steel box girder, which is studied with the fatigue properties in the fatigue load level 5 kN/25 kN and fatigue frequency 3 Hz. The results show that the stress of the measuring pointain 25 kN is 255.57 MPa before the fatigue test, sobis 261.50 MPa,cis 221.34 MPa,dis 224.39 MPa,eis 167.11 MPa andfis 177.71 MPa; The steel box girder specimens producing visible cracks to destroy needs 5 700 times; Formula which is based on the cumulative damage can better reflect the test steel box girder damage development process of specimen.

steel box girder, fatigue test, residual strain, damage

U 441

：A

饒建輝(1958-)，男，大學(xué)本科，主要從事工程管理等方面的研究。

2014-12-09