裝配式波紋鋼腹板組合箱梁足尺疲勞模型試驗(yàn)研究

李佳，楊清梅

（同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

裝配式波紋鋼腹板組合箱梁足尺疲勞模型試驗(yàn)研究

李佳，楊清梅

（同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

裝配式波紋鋼腹板組合箱梁是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)體系，目前尚無(wú)波紋鋼腹板疲勞性能評(píng)估方面的系統(tǒng)的理論，需要通過試驗(yàn)研究來(lái)評(píng)估其疲勞性能。在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)一片足尺疲勞試驗(yàn)梁進(jìn)行了雙點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)，并分析了疲勞加載對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明：在相同荷載工況下，隨著疲勞加載次數(shù)的增加，跨中截面底板正應(yīng)力逐漸增大，頂板正應(yīng)力逐漸減小，同時(shí)跨中撓度逐漸增大。試驗(yàn)梁在加載至985萬(wàn)次時(shí)發(fā)生開裂。文章記錄試驗(yàn)梁開裂時(shí)關(guān)鍵細(xì)節(jié)等效應(yīng)力幅σR以及對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)N，并將疲勞試驗(yàn)得到的結(jié)果和JT規(guī)范相比照。

橋梁；波紋鋼腹板；疲勞試驗(yàn)；疲勞壽命；足尺模型

1 試驗(yàn)背景

在梁橋中使用波紋腹板能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的平面外剛度和抗屈曲能力而無(wú)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(yīng)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?？v向剛度低，可以解除箱梁腹板與頂?shù)装宓南嗷ゼs束，減小溫差、干燥收縮、徐變的不利影響，同時(shí)預(yù)應(yīng)力也不會(huì)轉(zhuǎn)移到鋼板上，預(yù)應(yīng)力施加效率高。波紋鋼板抗剪強(qiáng)度較高，可以做的很薄但不用設(shè)置縱橫向加勁肋［1-3］。

在這些優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為了減少浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)件的預(yù)制化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，確保施工質(zhì)量，現(xiàn)提出了一種裝配式波紋鋼腹板組合鋼箱。此充分發(fā)揮了波形鋼腹板箱梁橋的力學(xué)與施工性能優(yōu)勢(shì)，工廠化流水線生產(chǎn)制作優(yōu)勢(shì)等，具有極大的實(shí)用性及創(chuàng)新性。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于波紋鋼腹板的研究主要集中在抗彎、抗剪、抗扭和穩(wěn)定性能，對(duì)于疲勞性能相關(guān)的研究不是很全面。

國(guó)內(nèi)外對(duì)波紋鋼腹板梁有一定的研究，相關(guān)的研究成果有如下幾個(gè)方面［4-8］。

①波形腹板鋼梁的疲勞強(qiáng)度比相對(duì)應(yīng)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(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，斜折與梁縱向的夾角是影響應(yīng)力集中的一個(gè)主要因素。此外學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，焊縫傾角和折線上曲線半徑等幾個(gè)幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)力集中也有重要影響。研究中發(fā)現(xiàn)，波紋鋼腹板梁的疲勞萌生位置多在斜折與曲線結(jié)合部位附近的焊趾處，沿受拉翼緣橫向擴(kuò)展。

③波紋鋼腹板梁關(guān)鍵疲勞細(xì)節(jié)的疲勞壽命介于AASHTO疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線的B級(jí)和C級(jí)疲勞細(xì)節(jié)之間。此外也有學(xué)者針對(duì)波紋鋼腹板鋼梁提出了疲勞壽命預(yù)測(cè)公式。

這些成果對(duì)于我們的研究有非常重要的參考價(jià)值，但是對(duì)于這種新型的裝配式波紋鋼腹板組合鋼箱，沒有對(duì)應(yīng)的研究，另一方面對(duì)于波紋鋼腹板疲勞的研究還不夠全面，沒有系統(tǒng)的理論可供參考，為了推廣這種梁，對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是必要的。

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)為了能真實(shí)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(shè)計(jì)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(yàn)?zāi)Ｐ筒捎煤蛯?shí)橋相同的材料，焊接和制作工藝也保持相同；③采用和實(shí)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(gòu)成，頂板上表面設(shè)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(nèi)部混凝土構(gòu)成，鋼套箱內(nèi)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(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)最大荷載 350kN，動(dòng)載頻率范圍為0～10 Hz的疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行雙點(diǎn)加載。為了考慮試驗(yàn)梁在公路疲勞荷載作用下的疲勞安全性能，依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64）使用疲勞荷載模型I和疲勞荷載模型II分別計(jì)算關(guān)鍵細(xì)節(jié)應(yīng)力，要求疲勞試驗(yàn)中盡可能模擬其應(yīng)力狀態(tài)。最后從有限元模擬結(jié)果、試驗(yàn)儀器行程范圍、試驗(yàn)梁剛度及固有頻率等多個(gè)方面考慮，確定兩臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)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(dòng)載頻率3Hz。疲勞試驗(yàn)中，根據(jù)預(yù)估的疲勞壽命將試驗(yàn)分成多個(gè)階段，每200萬(wàn)次加載一個(gè)階段，每個(gè)階段加載完之后對(duì)試驗(yàn)梁停機(jī)進(jìn)行一次靜載試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)足尺梁進(jìn)行加載，疲勞試驗(yàn)按預(yù)期穩(wěn)定進(jìn)行，在試驗(yàn)進(jìn)行至985萬(wàn)次時(shí)，在梁跨中段底箱上表面出現(xiàn)裂紋。裂紋從折角附近的角焊縫萌生，然后沿著垂直縱向應(yīng)力的方向上擴(kuò)展。典型裂紋如圖4所示，此裂紋貫穿應(yīng)變片F(xiàn)WJ6，應(yīng)變片記錄了此疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力歷程。在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)開裂底箱進(jìn)行剖切，發(fā)現(xiàn)底箱混凝土有開裂。限于篇幅，本文主要通過幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果對(duì)梁進(jìn)行分析。

圖4 波紋折角疲勞細(xì)節(jié)裂紋

3.1 撓度

對(duì)試驗(yàn)梁每200萬(wàn)次進(jìn)行一次靜力加載，兩個(gè)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(shù)的增加，梁的撓度有明顯的增大的趨勢(shì)，表明隨著疲勞加載次數(shù)的增加，梁的剛度逐漸降低。

圖5 試驗(yàn)梁沿縱橋向撓度曲線

3.2 應(yīng)力

不同疲勞加載次數(shù)時(shí)，距跨中5m截面在頂板，波紋腹板和底板上關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)正應(yīng)力的荷載-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5所示。由于折扇效應(yīng)，可以看到波紋腹板上正應(yīng)力相對(duì)頂板和底板很小，隨著疲勞加載次數(shù)增加加載曲線沒有明顯變化規(guī)律。此截面頂板和底板加載曲線隨著加載次數(shù)增加沒有明顯規(guī)律性，但是頂板和底板的變化規(guī)律具有一定的相關(guān)性，在荷載幅相同的情況下，當(dāng)?shù)装尻P(guān)鍵測(cè)點(diǎn)FJ308應(yīng)力幅增大時(shí)，頂板關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)FJ305應(yīng)力幅減少。

跨中截面在頂板，波紋腹板和底板上關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)正應(yīng)力的荷載-應(yīng)力關(guān)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(guī)律性。但是跨中截面頂部關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)FJ413，在荷載幅相同的情況下，隨著加載次數(shù)的增多，應(yīng)力幅有明顯減小趨勢(shì)。而跨中底部關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)FJ419則有明顯增加趨勢(shì)。此外跨中截面頂板和底板的變化規(guī)律具有一定的相關(guān)性，在荷載幅相同的情況下，當(dāng)?shù)装尻P(guān)鍵測(cè)點(diǎn)FJ419應(yīng)力幅增大時(shí)，頂板關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)FJ413應(yīng)力幅減少。表明隨著加載次數(shù)的增加截面的截面特性發(fā)生了變化。

圖6 距跨中5m截面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)力曲線

圖7 跨中截面關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)力曲線3.3 試驗(yàn)梁疲勞壽命評(píng)估

根據(jù)梁開裂部位側(cè)面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力幅值，基于線性疲勞累計(jì)損傷理論換算得到裂紋開裂時(shí)的等效應(yīng)力幅值，測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力與實(shí)際作用次數(shù)的 S-N曲線如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果在正應(yīng)力強(qiáng)度曲線中位置

從圖中可以看出，本次實(shí)驗(yàn)在 S-N曲線中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在疲勞細(xì)節(jié)類別80和疲勞細(xì)節(jié)類別100之間。

4 結(jié) 論

①隨著疲勞加載次數(shù)的增加，試驗(yàn)梁的截面特性發(fā)生改變，同樣加載條件下，隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，跨中底板應(yīng)力增加，頂板應(yīng)力減少。

②隨著疲勞加載次數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)梁的剛度逐漸降低。

③本試驗(yàn)梁關(guān)鍵疲勞細(xì)節(jié)疲勞壽命介于 JTG疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線的細(xì)節(jié)類別80和疲勞細(xì)節(jié)類別100之間。

［1］王倩，賀君，劉玉擎，等.預(yù)應(yīng)力折腹式組合箱梁橋構(gòu)造特點(diǎn)及分析［A］.第五屆全國(guó)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論與工程應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.2008.

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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(yáng)人，同濟(jì)大學(xué)在讀碩士，研究方向：評(píng)定與加固。