泰州大橋鋼箱梁疲勞損傷評(píng)估及試驗(yàn)研究

吉 林，孔祥明，蔣 波，袁周致遠(yuǎn)

(1. 江蘇泰州大橋有限公司，江蘇 泰州 225321；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

由于鋼箱梁的構(gòu)造特點(diǎn)，其疲勞損傷難以避免。疲勞損傷作為鋼箱梁的主要病害之一，直接影響著結(jié)構(gòu)的受力和安全，甚至導(dǎo)致橋梁倒塌事故。鋼箱梁疲勞開裂機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，且初期不易察覺，一旦開裂將帶來嚴(yán)重后果。目前國內(nèi)對(duì)鋼箱梁疲勞問題的理論研究滯后于工程實(shí)踐，鋼箱梁疲勞損傷是我國在役纜索承重橋梁安全運(yùn)營面臨的核心難題之一[1-2]。根據(jù)大量實(shí)橋車輛荷載統(tǒng)計(jì)情況分析發(fā)現(xiàn)，重載和超載現(xiàn)象突出，鋼橋面板經(jīng)常處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，且鋪裝層的損壞也會(huì)加劇鋼箱梁橋疲勞[3-4]。日本學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，鋼箱梁出現(xiàn)疲勞裂紋幾率較大的部位是各構(gòu)件交叉部位，其中U肋與頂板焊接連接部位占疲勞裂紋總發(fā)現(xiàn)數(shù)達(dá)9.7%之多[5]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)鋼箱梁頂板與U肋連接構(gòu)造細(xì)節(jié)開展了一系列相關(guān)研究。曹寶雅等[6]通過有限元數(shù)值模擬頂板-縱肋焊接細(xì)節(jié)，重點(diǎn)分析了板件厚度變化對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。吳偉勝等[7]通過建立有限元模型發(fā)現(xiàn)頂板厚度、焊縫熔透深度及殘余應(yīng)力對(duì)疲勞性能影響顯著。茍紅兵等[8]通過對(duì)遼河大橋監(jiān)測分析得出該橋頂板與U肋連接細(xì)節(jié)年損傷度約為2.23×10-3。但這些方法大都偏重有限元理論分析，缺乏具體試驗(yàn)或?qū)崢驒z測數(shù)據(jù)支撐。

筆者建立泰州大橋三維全橋仿真模型，分析隨機(jī)車流作用下大橋主梁應(yīng)力變化的最大位置，確定大橋主梁的最不利疲勞損傷截面，研究在實(shí)測車流下主梁最不利損傷截面處典型疲勞細(xì)節(jié)的疲勞損傷特征。同時(shí)針對(duì)泰州大橋頂板與U肋連接構(gòu)造細(xì)節(jié)，采用名義應(yīng)力法開展試驗(yàn)研究。

1 重點(diǎn)疲勞損傷部位分析

1.1 全橋有限元模型

采用ANSYS建立泰州大橋全橋模型，如圖1。

圖1 泰州大橋全橋有限元模型Fig. 1 FEM model of the whole bridge of Taizhou Bridge

主梁與主塔均采用beam4梁單元，主纜與吊桿采用link10桿單元，主纜與吊桿連接處的索夾采用mass21質(zhì)量單元。全橋模型的邊界條件為：主纜兩端6個(gè)自由度全部約束，主塔底部6個(gè)自由度全部約束，主梁與主塔根據(jù)約束關(guān)系采用主從耦合。為模擬車輛在橋梁上運(yùn)行的過程，采用mass21質(zhì)量單元模擬車輛重量，并通過combine14彈簧單元將質(zhì)量單元與主梁進(jìn)行連接。

1.2 鋼箱梁動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析

在車輛荷載作用下，鋼主梁各部位將產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)響應(yīng)，考慮到車輛過橋時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)受力過程復(fù)雜，將車輛荷載簡化為移動(dòng)荷載模型，即將車輛模擬為均勻移動(dòng)的恒載，該方法僅為簡化的近似方法，計(jì)算較為方便，可以用于近似計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。由于該方法忽略橋梁與車輛間的相互作用效應(yīng)，故本次模擬中不考慮車輛的沖擊影響。

采用隨機(jī)車流對(duì)全橋三維模型進(jìn)行振動(dòng)分析，該車流是依據(jù)泊松分布原理的斷面發(fā)車模型產(chǎn)生，將車輛進(jìn)入模擬路段這一隨機(jī)性事件轉(zhuǎn)化為進(jìn)入模擬路段的車輛間的間隔時(shí)間視為隨機(jī)量。計(jì)算車速取設(shè)計(jì)車速80 km/h[9]，隨機(jī)車流過橋時(shí)間為180 s。

圖2、圖3及表1分別為主梁1/4跨、跨中、3/4跨位置的豎向位移和彎矩。由圖2和圖3可知，主梁1/4跨、跨中、3/4跨位置的時(shí)程曲線均由若干個(gè)大的循環(huán)組成，動(dòng)力響應(yīng)與靜力響應(yīng)變化趨勢基本一致，動(dòng)力響應(yīng)曲線圍繞靜力響應(yīng)曲線作小幅振動(dòng)。由表1可知，主梁左、右側(cè)跨中的最大豎向位移分別為1.56和1.55 m，均比1/4跨和3/4跨的最大豎向位移大；雖然主梁1/4跨左側(cè)和3/4跨右側(cè)位置彎矩絕對(duì)值較大，但是主梁跨中彎矩幅值為三者中最大。根據(jù)上述對(duì)鋼主梁位移和彎矩動(dòng)力響應(yīng)分析可知，主梁跨中截面對(duì)應(yīng)的位移與彎矩變化幅值總體較1/4跨、3/4跨截面大，更易引起鋼箱梁中較大的應(yīng)力幅，導(dǎo)致疲勞損傷。

圖2 豎向位移時(shí)程曲線Fig. 2 Time-history curves of vertical displacement

圖3 彎矩時(shí)程曲線Fig. 3 Time-history curves of bending moment

位置最大豎向位移/m左側(cè)右側(cè)最大彎矩值絕對(duì)值/(×107 N·m)左側(cè)右側(cè)最大彎矩幅值/(×107 N·m)左側(cè)右側(cè)1/4跨1.420.7762.6048.444.877.19跨中1.561.5547.3047.406.197.453/4跨0.791.3948.5261.805.806.49

2 典型部位疲勞損傷現(xiàn)場測試分析

2.1 應(yīng)變監(jiān)測的實(shí)施

由1.2節(jié)分析可知，主梁的豎向位移響應(yīng)、彎矩響應(yīng)在跨中截面最大，故主要針對(duì)跨中截面進(jìn)行測試。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)不同部位構(gòu)件的危險(xiǎn)程度和薄弱等級(jí)評(píng)述，最危險(xiǎn)部位是那些承受高速公路交通荷載且位于最外側(cè)車道的部位[10-11]。同時(shí)，根據(jù)泰州大橋收費(fèi)站交通量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下游方向日均交通量較大。因此，選擇大橋跨中截面下游重車道8#U肋頂板與U肋焊縫處布置測點(diǎn)進(jìn)行疲勞損傷分析，如圖4。

圖4 主梁測試部位Fig. 4 Test sites of the main girder

2.2 應(yīng)力幅譜分析

已有文獻(xiàn)表明，疲勞損傷對(duì)于應(yīng)力幅非常敏感，利用記錄的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力幅值分析，這應(yīng)是較為準(zhǔn)確可靠的方法[12]。

圖5為下游跨中截面頂板測點(diǎn)的疲勞應(yīng)力譜計(jì)算結(jié)果。由圖5可知，該處測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)隨著應(yīng)力幅的增加逐漸減小，在整個(gè)應(yīng)力幅范圍內(nèi)，最大應(yīng)力幅值為12 MPa左右，根據(jù)BS5400關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)焊接細(xì)節(jié)的分類，頂板與U肋焊縫處頂板測點(diǎn)的疲勞極限值為25 MPa，遠(yuǎn)高于該處測點(diǎn)最大應(yīng)力幅值。因此，可認(rèn)為在目前的交通流量下，跨中截面下游車道頂板與U肋連接疲勞細(xì)節(jié)滿足BS5400規(guī)范中疲勞極限值相應(yīng)規(guī)定。

圖5 構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力譜Fig. 5 Fatigue stress spectrum of structural details

2.3 疲勞損傷評(píng)估

大量研究表明，變幅隨機(jī)荷載作用下構(gòu)件中的應(yīng)力幅，可以用一個(gè)等效的常應(yīng)力幅來替代，替代的原則是等效應(yīng)力幅下的疲勞壽命等于變應(yīng)力幅下的疲勞壽命。等效應(yīng)力幅的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：σeq為變應(yīng)力幅所對(duì)應(yīng)的等效常應(yīng)力幅；NT為各級(jí)變應(yīng)力幅σi的總循環(huán)次數(shù)；ni為各級(jí)變應(yīng)力幅σi的循環(huán)數(shù)；m為指定細(xì)節(jié)類別下的構(gòu)件在常應(yīng)力幅下的有關(guān)強(qiáng)度壽命的S-N曲線的斜率，對(duì)于大部分構(gòu)件細(xì)節(jié)，m=3。

依據(jù)疲勞S-N曲線以及Miner線性損傷累積準(zhǔn)則，分析計(jì)算測點(diǎn)處的疲勞損傷量D。將變幅應(yīng)力幅通過雨流計(jì)數(shù)法轉(zhuǎn)化為等效應(yīng)力幅σh，使其等于變幅應(yīng)力幅產(chǎn)生的疲勞損傷，則細(xì)節(jié)處的疲勞損傷量可以定義為

(2)

式中：Ntotal為實(shí)橋動(dòng)態(tài)監(jiān)測期內(nèi)的等效應(yīng)力幅σh的總作用次數(shù)；N為等效應(yīng)力幅σh作用下焊接細(xì)節(jié)發(fā)生疲勞破壞的總循環(huán)次數(shù)；K2為BS5400中S-N曲線的疲勞強(qiáng)度系數(shù)。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到該測點(diǎn)一天24 h的等效應(yīng)力幅，由疲勞損傷量式(2)計(jì)算出測點(diǎn)24 h區(qū)間內(nèi)每小時(shí)的疲勞損傷量，見圖6。

圖6 跨中截面疲勞損傷量分布Fig. 6 Distribution of fatigue damage in the mid-span section

由于受到不同時(shí)段車流量的影響，不同時(shí)段頂板與U肋連接焊縫處疲勞損傷量差異較大，日損傷度分布曲線出現(xiàn)3個(gè)明顯的損傷峰值，分別為晚上18：00—19：00時(shí)段和晚上02：00—24：00時(shí)段以及晚上01:00—02：00時(shí)段，表明此時(shí)經(jīng)過大橋的車流情況最為復(fù)雜。最大損傷峰值出現(xiàn)在夜間18：00—19：00時(shí)，這主要是由于重車常于夜間行駛且夜間行駛的車輛超載現(xiàn)象相對(duì)較多，從而導(dǎo)致該時(shí)段的疲勞損傷量突增。

3 頂板與U肋疲勞試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)情況

本試驗(yàn)中試件采用與泰州大橋鋼橋面板所用鋼材型號(hào)相同的Q345qD，彈性模量Es取2.1×105MPa。試件構(gòu)造尺寸如圖7，頂板長600 mm，寬300 mm，板厚按試件類型分為16 mm(SJ1系列)和14 mm(SJ2系列)；U肋截取高度200 mm，寬度300 mm，板厚8 mm。

圖7 試件構(gòu)造尺寸Fig. 7 Specimen dimensions

采用機(jī)械型疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞加載[13]，如圖8。試件一端通過高強(qiáng)螺栓固定于機(jī)架，形成懸臂狀態(tài)，懸臂端與偏心作動(dòng)器連接，作動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出正弦循環(huán)荷載。當(dāng)試驗(yàn)過程中滿足以下條件之一時(shí)，試驗(yàn)視為完成：①裂紋開展長度達(dá)到100 mm(N100)；②應(yīng)力幅加載次數(shù)達(dá)到1 000萬次。試驗(yàn)機(jī)頻率與作用力大小可調(diào)節(jié)且自帶計(jì)數(shù)功能，可連續(xù)記錄荷載循環(huán)次數(shù)。采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 000 Hz，每隔1 h連續(xù)采樣1 min。

圖8 試件加載Fig. 8 Specimen loading

每組試件正式測試9個(gè)，每個(gè)試件布置1個(gè)名義應(yīng)力測點(diǎn)，如圖7，圖中t為頂板厚度。以CD1作為加載應(yīng)力控制點(diǎn)，加載名義應(yīng)力幅等級(jí)為55、80、100 MPa，實(shí)際加載名義應(yīng)力幅浮動(dòng)范圍在10%以內(nèi)。若試驗(yàn)中出現(xiàn)應(yīng)力幅加載次數(shù)超過1 000萬次仍未檢測出裂紋，則補(bǔ)充備用試件進(jìn)行加載以供參考，試件工況分組見表2。

表2 試件工況Table 2 Working condition of the specimen

注：試件失效指應(yīng)力幅加載次數(shù)達(dá)到1 000萬次時(shí)，試件仍未開裂，不計(jì)入后續(xù)數(shù)據(jù)處理中。

3.2 加載結(jié)果分析

兩組試件均從焊縫焊根處起裂，沿焊根方向擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展初步分為3個(gè)階段。起裂階段：在試件焊根處首先出現(xiàn)裂紋源，并且裂紋源可能為兩到三個(gè)，并多出現(xiàn)于整條焊縫中部區(qū)域。裂紋擴(kuò)展階段初期：經(jīng)過一定次數(shù)的加載，裂紋源沿焊縫長度方向擴(kuò)展，此時(shí)裂紋的擴(kuò)展速度較慢。裂紋擴(kuò)展后期：裂紋已經(jīng)形成，約為40 mm，兩側(cè)擴(kuò)展速度較之前增大許多。

將試件名義應(yīng)力幅數(shù)據(jù)與我國公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中近似疲勞細(xì)節(jié)規(guī)定的S-N曲線進(jìn)行比對(duì)，并采用最小二乘法對(duì)每個(gè)系列試件進(jìn)行線性回歸擬合，控制擬合曲線的斜率為m=3，如圖9。根據(jù)擬合曲線計(jì)算得出具有97.7%保證率時(shí)的疲勞強(qiáng)度，并分析得出推薦疲勞強(qiáng)度，如表3。由圖9可知，試件數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在我國公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的70 MPa的S-N曲線上方，與擬合得到的推薦名義應(yīng)力疲勞強(qiáng)度70 MPa保持一致。因此，泰州大橋頂板與U肋構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度符合現(xiàn)有規(guī)范的規(guī)定。

圖9 S-N曲線Fig. 9 S-N curve

試件類型計(jì)算疲勞強(qiáng)度/MPa推薦疲勞強(qiáng)度/MPaSJ173.10SJ265.5570

4 結(jié) 論

1)泰州大橋鋼箱梁跨中截面的位移和彎矩變化幅值總體較1/4跨與3/4跨截面更大，更易引起鋼箱梁應(yīng)力幅顯著變化，為疲勞損傷不利截面。

2)在目前的交通流量下，泰州大橋跨中截面下游車道頂板與U肋焊縫處頂板附近出現(xiàn)疲勞損傷量較大的時(shí)間為夜間19時(shí)左右，且頂板附近最大應(yīng)力幅值低于BS5400規(guī)范推薦的疲勞極限值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3)泰州大橋頂板與U肋構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度符合現(xiàn)有規(guī)范的規(guī)定。名義應(yīng)力下該構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度為70 MPa。