銷鉸式索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力機(jī)理及疲勞性能研究

詹剛毅,廖 軒,肖 林,艾宗良

(1.南昌鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司, 南昌 330002； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 3.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司,成都 610031)

索梁錨固結(jié)構(gòu)是懸索橋、斜拉橋及拱橋中的關(guān)鍵構(gòu)造，負(fù)責(zé)將主梁及其承受的荷載傳遞到吊桿、拉索上，通常具有受力集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，因此其安全性和耐久性也是工程界研究的熱點(diǎn)[1-5]。

銷鉸連接錨固體系最早常見于懸索橋索梁錨固系統(tǒng)中。因其節(jié)約鋼材、施工方便和易于更換等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)有越來(lái)越多的橋梁采用了該種結(jié)構(gòu)[6-7]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)已完成的一些銷鉸式索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞性能試驗(yàn)，如貴州壩陵河大橋和舟山西堠門大橋等[8-14]，但對(duì)于鐵路橋梁中的銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)還少有研究。

根據(jù)耳板與主梁連接方式的不同，可將銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)分為以下3種形式。

(1)螺栓連接型銷鉸式索梁錨固結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 螺栓連接型銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)

這種形式的銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)耳板通常設(shè)置在箱梁腹板外側(cè)，通過高強(qiáng)螺栓的摩擦力將索力傳遞到主梁腹板。在杭州灣跨海大橋、桃夭門大橋等橋中采用這種銷鉸式索梁錨固形式[15-16]。

(2)腹板外伸型銷鉸式索梁錨固結(jié)構(gòu)(圖2)。

耳板即為腹板的一部分，索力由耳板直接傳遞到腹板中去。比如法國(guó)諾曼底大橋和貴州壩陵河大橋[17-18]。

圖2 腹板外伸型的銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)

(3)插入型銷鉸式索梁錨固結(jié)構(gòu)。

前面兩種形式的銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)都是由主梁腹板直接或間接的承擔(dān)索力。而在本文所研究的廣州跨桂丹路剛架拱連續(xù)梁組合橋以及舟山西堠門大橋的索梁錨固結(jié)構(gòu)中，耳板不與腹板相連，而是整體插入到箱梁中，通過焊縫與面板、橫隔板連接，錨固區(qū)內(nèi)焊縫密集，構(gòu)造相對(duì)較復(fù)雜。如圖3所示。

為深入了解插入型銷鉸式索梁錨固結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理和疲勞性能，本文以廣州跨桂丹路剛架拱連續(xù)梁組合橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用模型試驗(yàn)結(jié)合有限元理論分析的方法，對(duì)其銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理以及疲勞性能進(jìn)行研究。

圖3 廣州樞紐跨桂丹路橋插入式銷鉸式吊桿下錨固結(jié)構(gòu)(單位：mm)

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

受場(chǎng)地和加載設(shè)備限制，疲勞試驗(yàn)采用1:2縮尺模型，并在保證試驗(yàn)合理性的條件下對(duì)錨固區(qū)進(jìn)行一定簡(jiǎn)化。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造

根據(jù)全橋空間桿系有限元模型分析結(jié)果，確定吊桿活載應(yīng)力幅值最大的D1短吊桿下錨固區(qū)為試驗(yàn)研究對(duì)象；再根據(jù)節(jié)段有限元模型分析得到的吊點(diǎn)處應(yīng)力擴(kuò)散的范圍，確定了試件模型的尺寸為2.7 m×3.05 m(縮尺后)。

為方便加載，將箱梁底板、斜腹板簡(jiǎn)化為水平底板和直腹板，并將底板上移1.2 m。試件模型包括了吊桿錨固區(qū)(耳板、耳板加勁板、支承板、吊點(diǎn)橫隔板等)和作為試件固定區(qū)的吊點(diǎn)相鄰箱室。在固定區(qū)使用錨桿將模型固定在地面，并在試件之下加墊板以模擬錨固區(qū)懸臂受力的特點(diǎn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D4，模型加載示意見圖5。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?單位：mm)

圖5 模型加載

模型所采用材料與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同，除橋面板、橫隔板采用Q345qD級(jí)鋼材，其余板件均采用Q370qD(Z25)鋼材制作。銷軸采用Cr40高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼材，屈服強(qiáng)度不低于785 MPa。

1.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)部分測(cè)點(diǎn)如圖6、圖7所示，分別在耳板、橋面板、橫隔板、加勁肋及支承板上兩側(cè)的應(yīng)力集中位置及焊縫周圍布置75個(gè)應(yīng)變片及54個(gè)應(yīng)變花，分別編號(hào)，并以首字母代表各個(gè)區(qū)域，第二個(gè)字母代表板件正反面。

圖6 耳板測(cè)點(diǎn)布置

圖7 加勁板測(cè)點(diǎn)布置

1.3 疲勞荷載確定

準(zhǔn)確地確定索梁錨固結(jié)構(gòu)的疲勞荷載是進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的重要組成部分。和結(jié)構(gòu)的靜力設(shè)計(jì)不同，鋼橋疲勞設(shè)計(jì)所采用的荷載不應(yīng)是按最不利情況采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)活荷載，而應(yīng)考慮采用經(jīng)常作用的各種實(shí)際的車輛荷載，從而計(jì)算它們所引起的各種累積損傷[19-20]。

本橋運(yùn)營(yíng)車輛為16節(jié)編組CRH2列車。本橋?yàn)樗木€鐵路橋梁，我國(guó)目前還沒有特別針對(duì)多線高鐵橋梁疲勞加載的規(guī)定，本文偏保守考慮四線分別作用疲勞活載情況計(jì)算吊桿荷載譜(圖8)，并參考線路運(yùn)營(yíng)資料，取列車行車間隔為4 min，則該結(jié)構(gòu)每線在100年設(shè)計(jì)期內(nèi)的列車通過次數(shù)為

N=100×365×20×15次=1.095×107次

圖8 D1吊桿軸力幅

在全橋有限元模型中，使用疲勞車輛荷載在各車道進(jìn)行加載，獲得D1吊桿軸力幅值。通過雨流法進(jìn)行統(tǒng)計(jì),即可得到橋梁在設(shè)計(jì)壽命200年內(nèi)與D1吊桿相連的銷鉸錨固結(jié)構(gòu)的疲勞荷載頻譜值。運(yùn)用Miner線性累計(jì)損傷理論，即可確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ?00萬(wàn)次循環(huán)加載對(duì)應(yīng)的等效常幅疲勞設(shè)計(jì)荷載幅為110 kN，試驗(yàn)中采用正弦荷載進(jìn)行加載，荷載加載下限為Fmin=50 kN，上限為Fmax=160 kN。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的正確可靠性，利用有限元軟件ANSYS,建立如圖9所示的節(jié)段有限元模型和試件有限元模型。模型采用四節(jié)點(diǎn)三維板殼單元Shell181。

圖9 錨固區(qū)示意

根據(jù)節(jié)段有限元模型分析結(jié)果,對(duì)試件有限元模型進(jìn)行等效性驗(yàn)證，證明對(duì)錨固區(qū)的簡(jiǎn)化是合理的，試件有限元模型的結(jié)果是準(zhǔn)確的。

經(jīng)有限元分析，耳板等效應(yīng)力分布見圖10，結(jié)果顯示疲勞荷載下最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷孔處，最大Von-Mises等效應(yīng)力為44.84 MPa，同時(shí)耳板上兩銷孔中間的應(yīng)力大于其他部分；錨固區(qū)主要應(yīng)力集中部位在橋面板以上，在耳板加勁肋N3a與橋面板焊縫端部應(yīng)力較大;吊桿軸力通過耳板及N3/N3a板傳遞到箱梁中，應(yīng)力擴(kuò)散較快，橋面板以下應(yīng)力水平不高，但在橫隔板V肋過焊孔處、過人孔處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些部位是疲勞試驗(yàn)重點(diǎn)研究區(qū)域。

圖10 耳板等效應(yīng)力分布

耳板上的應(yīng)力首先由N3/N3a加勁板分擔(dān)，并傳遞到橋面板上；其次再通過耳板與橋面板、橫隔板的焊縫將應(yīng)力傳遞到箱梁中；可以看到耳板在橋面板以下部分的應(yīng)力水平已迅速降低到20 MPa以下；箱體內(nèi)的加勁板應(yīng)力水平較低，主要起支承的作用。應(yīng)力由耳板傳遞到橫隔板后，逐漸擴(kuò)散到箱梁底板、腹板等各部分。

2.1 靜載試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)前先對(duì)試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)荷載分為疲勞荷載、1.0設(shè)計(jì)荷載和1.5倍設(shè)計(jì)荷載3種工況。疲勞試驗(yàn)中每隔25萬(wàn)次疲勞加載，停機(jī)進(jìn)行一次靜載試驗(yàn)，以了解模型試件在試驗(yàn)過程中的應(yīng)力變化。

靜載試驗(yàn)采用逐級(jí)加載，以疲勞荷載的15%為增量級(jí)，加載到疲勞荷載的60%后，以疲勞荷載的10%為增量級(jí)。在各級(jí)荷載作用下，持荷5 min，進(jìn)行應(yīng)變和裂紋觀測(cè)。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理之后，得到各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力。限于篇幅，表1中只列出主要測(cè)點(diǎn)在疲勞荷載下的試驗(yàn)結(jié)果，并與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比。應(yīng)力最大的位置位于橫隔板上過人孔圓弧處，最大等效應(yīng)力為40.14 MPa；耳板加強(qiáng)板焊縫處，最大等效應(yīng)力為23.89 MPa；N3a加勁肋與橋面板焊縫最大拉應(yīng)力為12.43 MPa；橫隔板上V肋過焊孔處最大等效應(yīng)力為21.73 MPa；其余大部分部位應(yīng)力水平不高，大多在20 MPa以內(nèi)?？梢钥闯鰧?shí)測(cè)值與理論值的整體分布相同，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都和理論值比較接近，可以證明試驗(yàn)結(jié)果是正確可靠的。

表1 錨固區(qū)第一主應(yīng)力情況對(duì)比

由圖11可以看出，在1.5倍設(shè)計(jì)荷載下，構(gòu)件各測(cè)點(diǎn)在加載和卸載過程中的應(yīng)力變化呈線性變化，試件仍然保持彈性狀態(tài)。

圖11 部分測(cè)點(diǎn)加載卸載曲線

2.2 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)采用常幅正弦波荷載，加載頻率為4 Hz。

整個(gè)疲勞加載過程中未發(fā)現(xiàn)模型試件有異?，F(xiàn)象，每隔25萬(wàn)次循環(huán)加載停機(jī)進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，對(duì)模型各部分進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖12 主要測(cè)點(diǎn)主拉應(yīng)力加載卸載曲線

圖12給了各板件主要測(cè)點(diǎn)200萬(wàn)次加載后的主拉應(yīng)力加載-卸載曲線，可以看到應(yīng)力變化幾乎是對(duì)稱的，說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟骷?jí)荷載作用下的可恢復(fù)性能良好。圖13顯示出這些測(cè)點(diǎn)最大拉應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化很小，結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載下沒有發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，可以得出在疲勞試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)。

為了解其疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備，繼續(xù)加載至260萬(wàn)次，對(duì)耳板、加強(qiáng)板、加勁肋及焊縫處分別進(jìn)行磁粉探傷和超聲波探傷檢測(cè)，結(jié)果表明焊縫連接依然良好，沒有產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖13 主要測(cè)點(diǎn)主拉應(yīng)力隨加載次數(shù)變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在200萬(wàn)次疲勞荷載幅作用下整體應(yīng)力水平不高，加載過程中也未發(fā)現(xiàn)裂紋和其他異常?？梢哉J(rèn)為此結(jié)構(gòu)疲勞性能滿足設(shè)計(jì)要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

3 錨固區(qū)傳力機(jī)理分析

從錨固區(qū)的應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，錨固區(qū)的應(yīng)力集中現(xiàn)象通常發(fā)生在板件之間的連接處，即耳板式錨固結(jié)構(gòu)在承受銷鉸傳遞而來(lái)的吊桿力之后，主要通過錨固區(qū)的各條焊縫將力傳遞到箱梁中去，故研究各條焊縫的受力情況，可以更清楚地了解耳板式錨固結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理。

為定量研究耳板結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理，采用有限元計(jì)算各條焊縫的剪應(yīng)力，并沿焊縫全長(zhǎng)對(duì)各條焊縫的剪應(yīng)力進(jìn)行積分，得到各條焊縫承擔(dān)的剪力，進(jìn)而得到各條焊縫分擔(dān)吊桿力的百分比，并依此來(lái)評(píng)價(jià)各條焊縫的受力情況，結(jié)果見表2。

表2 各焊縫承擔(dān)荷載比例

可以看到，吊桿力主要通過耳板與橋面板和耳板與橫隔板的焊縫傳遞，兩處焊縫分別分擔(dān)30.42%和30.60%的荷載。加勁肋中N3a板處于耳板中部，受到兩個(gè)銷孔傳遞而來(lái)的吊桿力，承擔(dān)19.34%的荷載，這也是引起此處應(yīng)力集中的原因。N3板和N4板傳遞索力較小，分別為4.63%，2.59%，這兩類板主要起到增強(qiáng)錨固區(qū)整體剛度及穩(wěn)定性，減小橋面板面外變形的作用。

圖14為3條主要受力焊縫剪應(yīng)力分布。從圖14可以看出，耳板-橋面板焊縫應(yīng)力沿長(zhǎng)度呈凸型分布，耳板中部焊縫承擔(dān)了兩邊銷孔傳遞而來(lái)的巨大索力，故應(yīng)力較集中。除此之外在兩側(cè)與N3板連接處和板端也存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。耳板-橫隔板焊縫應(yīng)力呈凹型分布，焊縫上端為多塊板件連接處，下端靠近系桿孔，應(yīng)力較高。N3a與橋面板焊縫雖然承擔(dān)索力比不高，但由于焊縫長(zhǎng)度短，其應(yīng)力集中程度高于其他焊縫。

圖14 主要焊縫應(yīng)力分布

從分析可以看出，傳力過程中的吊桿力在錨固區(qū)的傳遞是流暢、均勻的，但在焊縫內(nèi)部的分配是不均勻的，尤其是焊縫的端部應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，是可能出現(xiàn)疲勞破壞的關(guān)鍵區(qū)域。設(shè)計(jì)中可通過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步的優(yōu)化，改善這些部位的受力性能。

4 結(jié)論

(1)插入式銷鉸錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中位置位于銷孔附近和耳板中部加勁板與橋面板連接處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)耳板板厚、加勁板尺寸等參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化。

(2)吊桿力的傳遞路徑為：沿耳板向下，首先由加勁板分擔(dān)部分索力，通過加勁板和耳板-橋面板焊縫共同將索力傳遞到鋼箱梁內(nèi)，再通過耳板-橫隔板焊縫傳遞給橫隔板，最后由橫隔板擴(kuò)散到箱梁底板、腹板，形成箱梁各部分整體受力的體系，結(jié)構(gòu)的傳力是流暢的。

(3)傳力過程中的吊桿力在錨固區(qū)的傳遞是流暢、均勻的，但在焊縫內(nèi)部的分配是不均勻的，吊桿力主要通過耳板-橋面板、耳板-橫隔板連接焊縫傳力，二者分別承擔(dān)30.42%和30.60%的荷載。其次，耳板中部加勁板承擔(dān)19.3%的荷載。焊縫端部的應(yīng)力較高，是結(jié)構(gòu)疲勞性能的控制部位。

(4)試驗(yàn)證明插入式銷鉸索梁錨固結(jié)構(gòu)具有良好的疲勞性能，且具有一定的安全儲(chǔ)備，可以滿足設(shè)計(jì)要求。