衛(wèi) 星,肖 林,唐繼舜
(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)
隨著國(guó)內(nèi)大跨鋼橋的建設(shè),新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等的應(yīng)用極大提高了橋梁建造水平。20世紀(jì)60年代起,采用整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)拼裝的鋼桁梁在國(guó)外逐漸得到推廣,自1995年孫口黃河大橋首次采用整體焊接節(jié)點(diǎn)技術(shù),整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)目前已在國(guó)內(nèi)鋼桁梁中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前,鋼桁梁作為鐵路鋼橋的主要形式,連接形式、桿件結(jié)構(gòu)、焊接接頭等方面都發(fā)生了較大變化,逐漸由鉚接向栓焊及全焊方向發(fā)展。鋼橋構(gòu)件在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)需承受由車輛荷載產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力作用,這些循環(huán)應(yīng)力所產(chǎn)生的損傷累積可能導(dǎo)致橋梁構(gòu)件形成裂紋并出現(xiàn)疲勞破壞[2]。結(jié)構(gòu)的疲勞損傷通常始于高應(yīng)力區(qū),如幾何突變處、受拉殘余應(yīng)力區(qū)和尖銳的不連續(xù)處等[3]。目前鋼桁梁橋很多部位的連接主要采用焊接技術(shù),焊接過(guò)程中引起的焊接殘余應(yīng)力和初始裂紋缺陷,都會(huì)降低焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命,因此對(duì)鋼橋焊接連接細(xì)節(jié)的疲勞評(píng)估尤其重要。美國(guó) Lehigh大學(xué)在1966—1974年期間對(duì)531根大型焊接鋼梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)確定了一些典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線,為鋼橋細(xì)節(jié)的疲勞壽命評(píng)估奠定了基礎(chǔ)[4-5]。焊接接頭的疲勞性能與接頭形式、焊縫類型、加載情況和制造工藝以及缺陷狀況等密切相關(guān),橋梁運(yùn)營(yíng)中,焊接部位一般最容易出現(xiàn)疲勞破壞。鋼桁梁橋全焊桁片中,為避免多條焊縫的交叉,工字形腹桿在與整體節(jié)點(diǎn)焊接連接時(shí)一般采用過(guò)焊孔與交叉焊縫錯(cuò)開的形式處理。設(shè)置過(guò)焊孔后,結(jié)構(gòu)截面被削弱且由于局部剛度變化引起較高的應(yīng)力集中,成為結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者通過(guò)對(duì)過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)開展疲勞試驗(yàn)研究,得出了有價(jià)值的研究結(jié)論[6-11]。文獻(xiàn)[12-14]的國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度給出不同的疲勞等級(jí),但國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)該焊接細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度無(wú)相關(guān)規(guī)定,因此,為評(píng)估過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)抗疲勞性能,本文對(duì)其開展有限元數(shù)值模擬及疲勞試驗(yàn)研究。
鋼桁梁的主桁桿件、縱(橫)聯(lián)桿件與橫梁通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接在一起形成空間結(jié)構(gòu)體系。在普通節(jié)點(diǎn)中,相鄰的弦桿、腹桿通過(guò)大的拼接板用高強(qiáng)螺栓(鉚釘)連接起來(lái),如圖1(a)所示。整體節(jié)點(diǎn)則是將節(jié)點(diǎn)板與一端的弦桿焊接成為一個(gè)整體,其主桁節(jié)點(diǎn)板成為箱形弦桿的一部分,腹桿與主桁節(jié)點(diǎn)連接時(shí),腹桿插入節(jié)點(diǎn)板中,采用高強(qiáng)螺栓連接,如圖1(b)所示。近年來(lái),按照“全焊代替栓焊”的設(shè)計(jì)理念,全焊桁片在鋼桁梁橋中得到應(yīng)用,主桁腹桿與整體節(jié)點(diǎn)的連接方式由高強(qiáng)螺栓連接變?yōu)橹苯雍附?,如圖1(c)所示。
(a)普通節(jié)點(diǎn)
(b)整體節(jié)點(diǎn)
(c)全焊節(jié)點(diǎn)圖1 鋼桁梁典型節(jié)點(diǎn)連接
全焊桁片的工字形腹桿在與整體節(jié)點(diǎn)焊接連接時(shí),一般采用過(guò)焊孔來(lái)避免多條焊縫的交叉,如圖2所示。設(shè)置過(guò)焊孔后腹板對(duì)翼緣的支撐不連續(xù)導(dǎo)致“翼緣間隙問(wèn)題”,與腹板間隙面外變形導(dǎo)致疲勞開裂類似,次應(yīng)力和變位對(duì)連接處的循環(huán)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生影響。腹板間隙面外變形疲勞開裂發(fā)生在多種橋梁結(jié)構(gòu)中,如在懸索橋的縱橫梁連接處、縱梁的腹板、系桿拱橋的橫梁腹板等[15]。鋼桁梁腹桿翼緣板上存在間隙時(shí),翼緣板面外變形會(huì)使焊趾處于高循環(huán)應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致疲勞開裂。國(guó)內(nèi)對(duì)此焊接細(xì)節(jié)的研究相對(duì)較少,現(xiàn)行國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有相關(guān)構(gòu)造疲勞抗力規(guī)定。為保證結(jié)構(gòu)耐久性,對(duì)于那些構(gòu)造細(xì)節(jié)分類不明確且直接承受循環(huán)荷載作用的焊接細(xì)節(jié),需要開展疲勞性能研究。
圖2 全焊桁片腹桿與節(jié)點(diǎn)連接過(guò)焊孔細(xì)節(jié)
為研究過(guò)焊孔細(xì)節(jié)的疲勞性能,疲勞加載試驗(yàn)?zāi)P涂梢圆捎谜w模型或局部模型。為準(zhǔn)確模擬全焊桁片節(jié)點(diǎn)腹桿連接細(xì)節(jié),同時(shí)考慮試驗(yàn)?zāi)P图虞d的要求,以某鋼桁梁橋全焊桁片節(jié)點(diǎn)腹桿連接細(xì)節(jié)為研究對(duì)象,工字形腹桿翼緣板寬0.8 m,腹板高1.2 m,鋼板厚16 mm,腹板焊接細(xì)節(jié)處帶有半徑為40 mm的過(guò)焊孔。綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備加載能力,從實(shí)際結(jié)構(gòu)上截取局部帶過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)部件進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)P烷L(zhǎng)1.29 m,包括0.3 m的焊接細(xì)節(jié)研究段和兩側(cè)連接錨固段(各0.495 m)兩部分,翼緣寬度取10 cm,腹板高度取10 cm。為了防止施加荷載時(shí)荷載偏心對(duì)試驗(yàn)的影響,試驗(yàn)?zāi)P筒捎檬中螌?duì)稱截面。試驗(yàn)?zāi)P徒Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
(a)立面圖
(b)平面圖圖3 疲勞試驗(yàn)?zāi)P?單位:mm)
試驗(yàn)?zāi)P弯摬牡牟馁|(zhì)、力學(xué)性能和化學(xué)成分與橋梁結(jié)構(gòu)所用鋼材一致,試樣的受力方向宜與鋼材軋制方向一致。試驗(yàn)?zāi)P筒牧蠟镼345C,腹板和翼緣焊接采用角焊縫形式。
為保證試驗(yàn)?zāi)P驼鎸?shí)反映實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)焊接細(xì)節(jié)的受力狀況,宜先對(duì)其應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)及應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行分析。利用有限元軟件ANSYS建立試驗(yàn)?zāi)P秃蛯?shí)橋桿件空間模型,利用對(duì)稱性,實(shí)橋模型及試驗(yàn)?zāi)P途?/4部分進(jìn)行分析,如圖4所示,在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。
端部施加位移荷載,使板件平均應(yīng)力達(dá)到50 MPa,此時(shí)過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)附近的應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)如圖5所示。
(a)實(shí)橋桿件模型(1/4)
(b)試驗(yàn)?zāi)P?1/4)圖4 有限元模型
(a)實(shí)橋桿件模型
(b)試驗(yàn)?zāi)P蛨D5 過(guò)焊孔細(xì)節(jié)應(yīng)力分布(單位:MPa)
對(duì)比分析表明,試驗(yàn)?zāi)P秃附蛹?xì)節(jié)過(guò)焊孔處的實(shí)際應(yīng)力分布與實(shí)橋桿件模型一致,腹板上過(guò)焊孔頂部及過(guò)焊孔端部在翼緣板焊接處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。表1為實(shí)橋桿件模型及試驗(yàn)?zāi)P蛻?yīng)力集中系數(shù),可以看出試驗(yàn)?zāi)P偷膽?yīng)力集中系數(shù)略大于實(shí)體結(jié)構(gòu)。
表1 過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)應(yīng)力集中系數(shù)
疲勞試驗(yàn)?zāi)P筒捎妹绹?guó)MTS公司制造的全自動(dòng)液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。疲勞荷載采用正弦波加載,荷載應(yīng)力比0.1。通過(guò)調(diào)整最大荷載Pmax及最小荷載Pmin,使3組試驗(yàn)?zāi)P脱芯慷蚊x應(yīng)力分別為99、81和63 MPa。表2為疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)。
表2 疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)
試驗(yàn)?zāi)P拓Q直放置,一側(cè)錨固段通過(guò)螺栓連接到作動(dòng)器上,另一側(cè)錨固段通過(guò)螺栓與錨固在地面上的地錨梁連接,如圖6所示。
圖6 試驗(yàn)加載示意
試驗(yàn)?zāi)P驮谄诤奢d作用下發(fā)生疲勞破壞,其破壞過(guò)程如下:首先在過(guò)焊孔邊緣與翼緣板交接的焊趾處產(chǎn)生疲勞裂紋,如圖7(a)所示。隨著疲勞循環(huán)荷載次數(shù)的增加,焊接細(xì)節(jié)的疲勞損傷不斷累積,逐漸沿翼緣板的厚度方向形成貫穿的裂紋,在此過(guò)程中裂紋也在沿翼緣板的寬度方向發(fā)展,如圖7(b)所示。
隨著疲勞荷載次數(shù)的進(jìn)一步增加,沿翼緣板的寬度方向形成貫穿的裂紋,這期間腹板上并未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞裂紋。由于翼緣板貫穿斷裂,結(jié)構(gòu)局部受力發(fā)生變化,結(jié)構(gòu)最薄弱的部位是腹板過(guò)焊孔孔頂處,隨著疲勞循環(huán)荷載的逐漸增加過(guò)焊孔孔頂產(chǎn)生疲勞裂紋,沿腹板的邊緣逐漸擴(kuò)展,最后沿腹板寬度方向形成貫穿裂紋,如圖7(c)所示。
當(dāng)焊接細(xì)節(jié)的有效截面減小到不足以承受疲勞循環(huán)荷載時(shí),結(jié)構(gòu)失效,如圖7(d)所示。
(a)翼緣板起裂
(b)翼緣板貫通
(c)腹板開裂
(d)最終斷裂圖7 疲勞裂紋擴(kuò)展模式
疲勞壽命為疲勞荷載作用下試樣疲勞斷裂時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。對(duì)于過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié),不同的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同的加載循環(huán)次數(shù)。表3為裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度分別為30 mm(工況1)和60 mm(工況2)時(shí)的疲勞壽命。
表3 疲勞壽命
我國(guó)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]參考?xì)W洲Eurocode 3給出了過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度,但我國(guó)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)該細(xì)節(jié)無(wú)相關(guān)規(guī)定。圖8為過(guò)焊孔疲勞試驗(yàn)結(jié)果與《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中焊接細(xì)節(jié)Ⅺ級(jí)S-N曲線的比較結(jié)果??梢钥闯觯^(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律與Ⅺ級(jí)S-N曲線接近,200萬(wàn)次循環(huán)加載對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度低于試驗(yàn)結(jié)果60.2 MPa(圖5)。
圖8 疲勞試驗(yàn)結(jié)果
文獻(xiàn)[6-10]為研究過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)的疲勞性能,采用不同的試驗(yàn)?zāi)P烷_展疲勞試驗(yàn)研究。表4為6組共42個(gè)過(guò)焊孔細(xì)節(jié)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度有不同的定義。表5列出了日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(JSSC)設(shè)計(jì)規(guī)范、歐洲Eurocode 3規(guī)范及國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)規(guī)范中,200萬(wàn)次循環(huán)加載對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅。
表4 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)
表5 國(guó)外規(guī)范中過(guò)焊孔細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度
圖9為42個(gè)疲勞試驗(yàn)結(jié)果S-N散點(diǎn)與設(shè)計(jì)規(guī)范S-N曲線。
圖9 試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范S -N曲線
對(duì)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果的研究表明:過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)受到剪力作用時(shí),翼緣板會(huì)產(chǎn)生面外變形,翼緣板間隙變形引起的次應(yīng)力會(huì)降低其疲勞壽命。正應(yīng)力與剪應(yīng)力共同作用下,剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值越大,其疲勞強(qiáng)度越低。JSSC規(guī)范及IIW規(guī)范中均考慮了翼緣板剪應(yīng)力對(duì)過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度的降低。
焊接細(xì)節(jié)S-N曲線應(yīng)滿足方程
ΔσmN=C
( 1 )
式中:Δσ為應(yīng)力幅,MPa;N為疲勞壽命,次;m為雙對(duì)數(shù)座標(biāo)圖上直線斜率的負(fù)倒數(shù);C為常數(shù)。m、C均為待擬合的常數(shù)。
在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中,lgΔσ和lgN呈線性關(guān)系,則式( 1 )可表示為
lgN=lgC-mlgΔσ
( 2 )
由于T4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值偏大,不適用于主要受軸力作用的鋼桁梁腹桿與整體節(jié)點(diǎn)連接細(xì)節(jié)。采用最小二乘法僅考慮T1、T2、T3及T5組試驗(yàn)數(shù)據(jù),取m=3,可以計(jì)算得到擬合式
lgN=12.17-3lgΔσ
( 3 )
對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)而言,一般取lgN的均值減2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為置信區(qū)間的下限(非破壞概率為97.7%),此時(shí)S-N曲線擬合式為
lgN=11.8-3lgΔσ
( 4 )
根據(jù)式( 4 )可以計(jì)算出當(dāng)N=200萬(wàn)次時(shí),疲勞應(yīng)力幅值為Δσ=68.1 MPa,與Eurocode 3規(guī)范規(guī)定的71 MPa較接近。
若僅考慮SQ組試驗(yàn)數(shù)據(jù),取m=3,可以計(jì)算得到擬合式
lgN=11.65-3lgΔσ
( 5 )
考慮97.7%的保證率,此時(shí)S-N曲線公式為
lgN=11.5-3lgΔσ
( 6 )
根據(jù)式( 6 )可以計(jì)算出當(dāng)N=200萬(wàn)次時(shí),疲勞應(yīng)力幅值為Δσ=54.1 MPa。與JSSC規(guī)范規(guī)定的50 MPa較接近。
圖10給出了疲勞試驗(yàn)結(jié)果與各組擬合S-N曲線的對(duì)比關(guān)系。
圖10 試驗(yàn)擬合S -N曲線
由于材料、焊接工藝、局部構(gòu)造細(xì)節(jié)的不同,從疲勞試驗(yàn)結(jié)果看,國(guó)外疲勞試驗(yàn)得到的過(guò)焊孔細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度明顯高于本文試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比分析表明,鋼桁梁全焊桁片腹桿與節(jié)點(diǎn)連接過(guò)焊孔細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)強(qiáng)度不能直接按照國(guó)外規(guī)范取值,本文疲勞試驗(yàn)得到的過(guò)焊孔細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度介于Eurocode 3規(guī)范(71 MPa)和JSSC規(guī)范(50 MPa)之間。
通過(guò)對(duì)全焊桁片工字形腹桿與整體節(jié)點(diǎn)焊接連接過(guò)焊孔細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:
(1)全焊桁片的工字形腹桿與整體節(jié)點(diǎn)焊接連接過(guò)焊孔細(xì)節(jié)由于局部剛度變化引起較高的應(yīng)力集中,是結(jié)構(gòu)疲勞損傷的薄弱點(diǎn)。
(2)有限元應(yīng)力分析表明,過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)翼緣板處應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)1.9,腹板處應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)2.2。
(3)循環(huán)荷載作用下,過(guò)焊孔邊緣與翼緣板交接的焊趾處首先產(chǎn)生疲勞裂紋,逐漸沿翼緣板的厚度方向和寬度方向發(fā)展。
(4)過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)受到剪力作用時(shí),翼緣板間隙變形引起的次應(yīng)力會(huì)降低其疲勞壽命。剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值越大,其疲勞強(qiáng)度越低,可參考IIW規(guī)范評(píng)估過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)疲勞性能。
(5)根據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果,全焊桁片的工字形腹桿在與整體節(jié)點(diǎn)焊接連接過(guò)焊孔細(xì)節(jié)200萬(wàn)次循環(huán)加載對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度為54.1 MPa。
本文基于9個(gè)過(guò)焊孔焊接細(xì)節(jié)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的S-N曲線,需要更多后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)予以檢驗(yàn)與修正。
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