大跨度鐵路鋼箱梁斜拉橋?qū)邮綗o(wú)肋錨拉板疲勞試驗(yàn)研究

施 洲，周凱旋，張曉江，蒲黔輝

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 橋梁設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430063)

斜拉橋索梁錨固區(qū)傳遞斜拉索巨大的集中力，是斜拉橋的關(guān)鍵局部構(gòu)造之一。目前主要錨固形式有錨箱式、錨管式、耳板式和錨拉板式四種。李小珍等[1]介紹了錨箱式、錨管式、耳板式、錨拉板式四種連接形式的構(gòu)造，討論了傳力機(jī)理、應(yīng)力分布，結(jié)果表明，不同構(gòu)造形式出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置和程度不同。其中，錨箱式結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛，但其構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜[2-3]。朱勁松等[4]對(duì)耳板式結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，研究耳板和鋼箱梁的力學(xué)性能，研究證明，耳板式連接滿足工程需求，但是銷鉸處的應(yīng)力集中嚴(yán)重。王嘉弟等[5]針對(duì)宕石大橋的錨管式錨固區(qū)開(kāi)展應(yīng)力應(yīng)變分析并進(jìn)行靜載試驗(yàn)，結(jié)果顯示，在1.7倍荷載下需對(duì)主梁腹板進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。任偉平等[6]和包立新等[7]對(duì)湛江海灣大橋錨拉板進(jìn)行了靜載及疲勞模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錨筒與錨板連接焊縫末端、錨板開(kāi)槽圓弧倒角處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，但其靜載及疲勞強(qiáng)度均滿足要求。衛(wèi)星等[8]針對(duì)東沙大橋中采用的外腹板伸出頂板并與錨板焊接的新型連接形式，開(kāi)展疲勞性能的研究，驗(yàn)證其可以降低應(yīng)力集中程度，改善結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能[9]。周金枝等[10]和姚建軍等[11]研究廈漳跨海大橋錨拉板疲勞性能及錨下區(qū)域應(yīng)力，結(jié)果表明，隨著過(guò)渡區(qū)曲率半徑的增大，應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力減小，塑性區(qū)范圍也隨之發(fā)生變化。曾永平等[12]研究了一種整體式雙錨拉板結(jié)構(gòu)的靜力及疲勞性能，結(jié)果表明，錨拉板僅在其與承壓板相交處焊縫存在應(yīng)力集中，整體構(gòu)造的受力性能及疲勞性能較好。駱煒然[13]對(duì)豐都長(zhǎng)江二橋錨拉板疲勞性能的研究表明，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨板與錨筒的連接圓弧處。丁秉昊等[14-15]對(duì)烏江大橋錨拉板疲勞性能的研究表明，錨板與錨筒連接焊縫圓弧過(guò)渡處存在應(yīng)力集中，其他位置應(yīng)力偏低，應(yīng)力由上往下隨拉板寬度增大而減小，錨板與主梁腹板焊縫最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)圓弧過(guò)渡處。

目前，錨拉板式結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于公路斜拉橋，已有研究成果表明，錨拉板與主梁的連接形式、幾何構(gòu)型和構(gòu)造細(xì)節(jié)不同時(shí)，其受力特性差別較大，且多存在應(yīng)力集中點(diǎn)。對(duì)于鐵路斜拉橋，因其荷載大、軌道相對(duì)固定等特點(diǎn)，錨拉板錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)用極少。在此，針對(duì)岳口漢江特大橋新型對(duì)接式無(wú)肋錨拉板結(jié)構(gòu)，開(kāi)展仿真分析及足尺疲勞模型試驗(yàn)，深入研究其疲勞特性。

1 對(duì)接式無(wú)肋錨拉板構(gòu)造特點(diǎn)

潛江鐵路岳口漢江特大橋位于天門市岳口鎮(zhèn)，主橋結(jié)構(gòu)采用(32+50+93+260+38)m的鋼箱混合梁獨(dú)塔斜拉橋跨越漢江。邊跨及其附近中跨23 m(含結(jié)合段)主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余中跨主梁為鋼箱梁。鋼箱梁采用帶風(fēng)嘴的單箱三室截面。斜拉索采用空間雙索面體系，通過(guò)對(duì)接式無(wú)肋錨拉板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)索梁的錨固。如圖1所示，該錨拉板結(jié)構(gòu)由邊腹板、錨板、錨筒、承壓板等構(gòu)件組成。邊腹板(N5)局部豎直伸出箱梁頂板開(kāi)孔15 cm，與向橋面中心線微傾斜的錨板(N1)對(duì)接焊接；錨板與伸出腹板、箱梁均無(wú)連接加勁肋；錨筒(MT)上下側(cè)焊縫連接錨板中部開(kāi)槽孔；錨筒上部設(shè)置與錨板焊接連接的圓形蓋板(N6)，錨筒下部焊接連接于與錨板焊接連接的承壓板(N4)，錨筒圓周均勻布置四條加勁肋(N3)；在承壓板底部設(shè)錨墊板(N2)直接接觸斜拉索錨頭。

圖1 錨拉板結(jié)構(gòu)三維視圖

對(duì)比既有錨拉板結(jié)構(gòu)形式，該對(duì)接式無(wú)肋錨拉板構(gòu)造有如下特點(diǎn)：①錨板與伸出頂板的豎直腹板對(duì)接焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，但錨板有2°～4°向梁中心線的傾角；②僅在錨筒上設(shè)加勁肋，錨板上不設(shè)置任何加勁肋，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力流暢，減少了局部應(yīng)力集中及焊接殘余應(yīng)力；③設(shè)置承壓板與錨板相連，并與錨筒加勁肋連接，減緩錨筒受力集中的問(wèn)題。傳力途徑為：斜拉索力由錨具直接傳遞至錨墊板、承壓板，再由承壓板分別傳遞至錨板中下部及錨筒(含加勁肋)，傳遞至錨筒的分力再通過(guò)焊縫和上圓板傳遞給錨板中上部，最后匯聚于錨板的力通過(guò)對(duì)接焊縫傳遞給伸出頂板的邊腹板，進(jìn)而傳遞至整個(gè)鋼箱梁。

2 對(duì)接式無(wú)肋錨拉板疲勞受力特性分析

2.1 錨拉板有限元模型

為系統(tǒng)了解對(duì)接式無(wú)肋錨拉板的受力特性，首先進(jìn)行有限元仿真分析，選取主橋恒載索力以及活載索力幅均較大的索梁錨固段作為研究對(duì)象，截取相應(yīng)錨拉板前后共7個(gè)節(jié)段(21 m)箱梁部分，采用Ansys軟件建立空間板殼單元有限元模型，為降低計(jì)算量，取半幅橋梁并在分界面施加正對(duì)稱邊界約束，如圖2所示。有限元模型在錨拉板附近細(xì)化了單元尺寸，最小單元尺寸為4 cm，全模型共68 286個(gè)板殼單元。模型采用約束梁段兩端節(jié)點(diǎn)全部平動(dòng)自由度的邊界條件。根據(jù)橋梁全橋桿系有限元模型計(jì)算結(jié)果，該位置錨拉板在恒載與活載共同作用下最不利索力為3 388 kN，活載產(chǎn)生的最不利疲勞索力幅為1 167 kN，以疲勞索力幅施加于錨墊板承壓面計(jì)算錨拉板及箱梁局部疲勞受力特性。

圖2 錨拉板結(jié)構(gòu)幾何模型

2.2 主要板件疲勞應(yīng)力幅分布特性分析

原橋節(jié)段的有限元仿真分析表明，在疲勞索力幅下，錨拉板結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力幅值為77.04 MPa，出現(xiàn)在錨板開(kāi)孔1/4圓弧處。錨拉板結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力幅值總體在60.24 MPa以內(nèi)。在垂直于斜拉索方向，主拉應(yīng)力幅值從開(kāi)孔直邊向外逐漸降低，從開(kāi)孔邊緣向外5 cm，應(yīng)力幅值降到50.43 MPa以內(nèi)。沿拉索方向，主拉應(yīng)力幅值從錨墊板端向塔端逐漸下降至20.09 MPa以內(nèi)。

疲勞索力幅下的錨板主拉應(yīng)力幅值分布如圖3所示。錨板中部開(kāi)孔直邊附近以及1/4圓弧區(qū)域受力最為不利，且應(yīng)力梯度陡峭，是疲勞敏感區(qū)域之一。

圖3 疲勞索力幅下錨板主拉應(yīng)力幅值等值線(單位：MPa)

疲勞索力幅下，錨筒主拉應(yīng)力幅值以焊縫中間區(qū)段為最大點(diǎn)，其值為30.25 MPa，向四周逐漸擴(kuò)散降低。錨筒在靠近錨墊板側(cè)端點(diǎn)處附近存在應(yīng)力集中，且存在明顯的應(yīng)力梯度，應(yīng)力幅值最大為54.17 MPa。此外，以錨板為分界面將錨筒分為左右兩側(cè)，在兩側(cè)的中心區(qū)域主要受壓，主壓應(yīng)力幅值達(dá)到-19.23 MPa。承壓板應(yīng)力分別以其與錨板、錨筒加勁肋及錨筒連接位置為中心向四周擴(kuò)散降低，其中承壓板與錨板連接焊縫內(nèi)側(cè)端點(diǎn)以及承壓板與錨筒接觸圓弧的四個(gè)端點(diǎn)位置應(yīng)力集中最為嚴(yán)重，最大應(yīng)力幅值為77.36 MPa。疲勞索力幅下的錨拉板結(jié)構(gòu)主要受力最不利位置處的主拉應(yīng)力幅值，以及其附近能夠粘貼應(yīng)變片測(cè)試的“測(cè)點(diǎn)處”的主拉應(yīng)力幅值結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，錨拉板整體結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力幅值水平總體并不高，但存在一定的應(yīng)力集中。

表1 典型位置的主拉應(yīng)力幅值計(jì)算值

2.3 主要焊縫應(yīng)力幅值分布特性分析

在疲勞索力幅作用下，錨板與錨筒連接焊縫主要傳遞剪應(yīng)力，沿焊縫長(zhǎng)度方向自近錨墊板端至600 mm處由25.15 MPa減小至5.06 MPa，在其后的1 200 mm焊縫長(zhǎng)度范圍內(nèi)，焊縫剪應(yīng)力幅值趨于穩(wěn)定，其與按名義應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)按名義應(yīng)力計(jì)算會(huì)嚴(yán)重低估靠近錨墊板端600 mm區(qū)段內(nèi)的應(yīng)力結(jié)果。因此，靠近錨墊板端焊縫區(qū)段的疲勞問(wèn)題值得關(guān)注。

圖4 錨板與錨筒焊縫剪應(yīng)力幅值分布

匯聚于錨板的索力通過(guò)錨板與腹板對(duì)接焊縫傳遞到整個(gè)鋼箱梁，傳力形式為順橋向的剪應(yīng)力與豎向垂直焊縫的正應(yīng)力。以靠近索塔端為起點(diǎn)，分析疲勞索力幅下主拉應(yīng)力幅、剪應(yīng)力幅與豎向正應(yīng)力幅隨焊縫長(zhǎng)度的分布情況，見(jiàn)圖5。對(duì)接焊縫的剪應(yīng)力幅及豎向正應(yīng)力幅在近塔端均出現(xiàn)最不利負(fù)值，其值分別為-10.67、-12.61 MPa；沿著焊縫呈現(xiàn)先增大，后在中部開(kāi)孔區(qū)域前后降低，并再增大后又降低的變化規(guī)律，主拉應(yīng)力幅變化規(guī)律同豎向正應(yīng)力幅，最大主拉應(yīng)力幅值為23.58 MPa，位于遠(yuǎn)塔端附近。從對(duì)接焊縫的應(yīng)力分布可見(jiàn)，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造及中部開(kāi)孔的影響，應(yīng)力分布明顯不均勻，并在焊縫兩端存在快速變化的高應(yīng)力，對(duì)接焊縫兩端及中部開(kāi)孔下前方區(qū)段(焊縫1 200 mm處)的高應(yīng)力位置是疲勞敏感區(qū)域。

圖5 錨板與腹板對(duì)接焊縫應(yīng)力幅值分布

3 錨拉板足尺疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)研究

為進(jìn)一步分析對(duì)接式無(wú)肋錨拉板的實(shí)際疲勞性能，開(kāi)展室內(nèi)足尺疲勞模型試驗(yàn)，重點(diǎn)考察錨板與邊腹板的對(duì)接焊縫、錨板與錨筒連接焊縫、錨板開(kāi)孔周圍等應(yīng)力集中區(qū)域的疲勞性能。在疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)中，錨板及錨筒等整體構(gòu)造同原橋一致，以確保錨板與錨筒連接角焊縫疲勞敏感區(qū)域同原橋的等效性；為保證錨板與邊腹板對(duì)接焊縫、邊腹板與箱梁頂板圍焊縫的受力、傳力等效性，疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)了部分箱梁頂板、腹板等輔助構(gòu)造。以錨板應(yīng)力量值及分布規(guī)律與原橋等效為準(zhǔn)則，基于實(shí)驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)條件，在仿真計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，先后優(yōu)化調(diào)整出三種模型試驗(yàn)方案，如圖6所示。

圖6 模型設(shè)計(jì)方案

方案一：在保留錨拉板主體的基礎(chǔ)上，截取原橋鋼箱梁的部分邊腹板、部分頂板，并在腹板下構(gòu)造焊接與所截頂板等寬、等厚的鋼板作為模型鋼主梁底板，形成模型的工字形截面鋼主梁。為實(shí)現(xiàn)便捷的豎向疲勞加載，鋼主梁斜倒置，一端著地，另一端與構(gòu)造的鋼支撐柱連接。方案一與原橋具有良好的應(yīng)力等效性，但頂板在其與腹板連接焊縫起始端、鋼支撐柱與梁連接處等局部的應(yīng)力集中問(wèn)題突出；此外還存在模型整體運(yùn)輸困難，整個(gè)模型穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。針對(duì)方案一存在的問(wèn)題，方案二在其基礎(chǔ)上，采用錨固于反力墻上的預(yù)制混凝土板代替鋼支撐柱，鋼主梁上增設(shè)水平支撐鋼梁，水平鋼梁通過(guò)墻板錨固在反力墻上。仿真計(jì)算分析結(jié)果表明，方案二模型應(yīng)力集中有所緩解。拉板和錨筒連接焊縫的應(yīng)力模擬狀況進(jìn)一步優(yōu)化。但錨板與邊腹板的連接焊縫、邊腹板與頂板的連接焊縫的起始端和結(jié)束端主應(yīng)力都偏大。通過(guò)多次調(diào)整與試算分析，縮短鋼主梁上端長(zhǎng)度，增加鋼主梁下端長(zhǎng)度，縮短水平鋼梁長(zhǎng)度，減小混凝土板在水平鋼梁底板處的支撐長(zhǎng)度，從而得到優(yōu)化的方案三。方案三中頂板長(zhǎng)7.1 m、寬1.5 m，底板長(zhǎng)8.1 m、寬1.5 m，模型高6.8 m、總質(zhì)量11 t。方案三模型受力與原橋等效良好，模型其他輔助構(gòu)造結(jié)構(gòu)應(yīng)力量值均小于試驗(yàn)主要考察區(qū)域的應(yīng)力值。

3.2 錨拉板足尺疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡刃苑治?/h3>

模型錨筒與錨板連接焊縫與原橋主拉應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，應(yīng)力量值基本相同，少量測(cè)點(diǎn)在數(shù)值上略大于原橋結(jié)構(gòu)；模型錨板與邊腹板對(duì)接焊縫應(yīng)力分布趨勢(shì)與原橋相同，應(yīng)力量值接近，在遠(yuǎn)塔端模型略大于原橋，錨板開(kāi)孔處至近塔端附近略小于原橋，其余焊縫應(yīng)力分布與原橋相近。疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭攸c(diǎn)考察錨筒與錨板連接焊縫靠近承壓板端區(qū)域、錨板開(kāi)孔圓弧位置、錨板與邊腹板對(duì)接焊縫的遠(yuǎn)塔端以及中部區(qū)域等受力不利位置，即疲勞敏感區(qū)。錨拉板試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕诿舾袇^(qū)域測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力結(jié)果與原橋的應(yīng)力對(duì)比情況見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，錨拉板試驗(yàn)?zāi)Ｐ透髦饕寮昂缚p處主要疲勞敏感點(diǎn)的主拉應(yīng)力與原橋相比，絕對(duì)誤差基本在5.0 MPa以內(nèi)，相對(duì)誤差主要在15%以內(nèi)。除少部分點(diǎn)的模型應(yīng)力比原橋應(yīng)力小外，大部分模型測(cè)點(diǎn)以及關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均比原橋略大，錨拉板關(guān)鍵構(gòu)造處以及疲勞敏感點(diǎn)的應(yīng)力情況被良好模擬。

3.3 試驗(yàn)加載與測(cè)試方案

基于錨板中部開(kāi)孔錨固的構(gòu)造，疲勞試驗(yàn)采用杠桿式加載方式，加載梁穿過(guò)錨板中部開(kāi)孔，其一端通過(guò)張拉鋼絞線束連接于支撐鋼立柱的頂部，鋼立柱底部固定于實(shí)驗(yàn)室地面提供反力，加載梁的另一端與MTS試驗(yàn)機(jī)連接。加載梁與模型錨墊板之間設(shè)置球冠板以保證加載梁的微小轉(zhuǎn)動(dòng)并減小加載偏心。在試驗(yàn)中，以斜拉索的索力幅等效加載，錨拉板結(jié)構(gòu)的最大加載索力幅為1 167 kN。疲勞加載等效周次的計(jì)算中，先根據(jù)錨拉板對(duì)應(yīng)斜拉索索力影響線加載最不利的中-活載列車，并將其等效為標(biāo)準(zhǔn)疲勞列車，再按橋梁設(shè)計(jì)年平均運(yùn)量計(jì)算等效標(biāo)準(zhǔn)疲勞列車的年循環(huán)周次，進(jìn)而計(jì)算得到100 a設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)錨拉板疲勞循環(huán)等效次數(shù)約為200萬(wàn)次，為進(jìn)一步驗(yàn)證錨拉板疲勞性能，試驗(yàn)共進(jìn)行了300萬(wàn)次。在進(jìn)行疲勞加載循環(huán)過(guò)程中，在0、2萬(wàn)、5萬(wàn)、10萬(wàn)、25萬(wàn)次以及之后每隔25萬(wàn)次進(jìn)行一次靜載試驗(yàn)并檢查模型，靜載分為5級(jí)加載并卸載，具體分級(jí)為10→ 243.4→ 476.8→ 710.2→ 943.6→ 1 177→943.6 →710.2→ 476.8→ 243.4→ 10 kN，以10 kN為基準(zhǔn)加載的目的是消除加載設(shè)備接觸縫隙等引起的測(cè)試誤差。

疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置以主要疲勞敏感區(qū)為主，兼顧各類構(gòu)件，分別在錨板、錨筒、錨筒加勁肋、箱梁頂板、邊腹板等受力不利處及主要焊縫處粘貼應(yīng)變片或應(yīng)變花，其中錨板及其附近腹板的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。為監(jiān)測(cè)模型總體變形情況，還布置了6個(gè)幾何變位測(cè)點(diǎn)，在上圓板正下方，以錨板為中心對(duì)稱布置兩個(gè)，分別位于邊腹板與頂板圍焊縫的起始端與末尾端，以腹板為中心，在頂板最外邊對(duì)稱布置各兩個(gè)。

圖7 腹板及錨板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

4 錨拉板疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1.1 主要板件試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)中的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，錨板上最大應(yīng)力出現(xiàn)在錨板開(kāi)孔的上側(cè)1/4圓弧處，應(yīng)力最大值為66.97 MPa，下側(cè)圓弧過(guò)渡處最大應(yīng)力為47.99 MPa；除以上兩個(gè)區(qū)域，錨板上測(cè)點(diǎn)的主拉應(yīng)力均在45 MPa以內(nèi)，其中N1-7～N1-9、N1-34、N1-35測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值達(dá)到40 MPa以上。錨筒實(shí)測(cè)應(yīng)力在-5.45～23.96 MPa；承壓板實(shí)測(cè)應(yīng)力在3.25～32.77 MPa；加勁肋實(shí)測(cè)應(yīng)力在3.52～26.98 MPa。從實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果可見(jiàn)，錨板的測(cè)點(diǎn)最大主拉應(yīng)力最為顯著，承壓板應(yīng)力集中的最不利受力點(diǎn)難以測(cè)得。錨板、承壓板、錨筒及錨筒加勁肋上典型測(cè)點(diǎn)在經(jīng)歷不同疲勞加載次數(shù)后的靜載下主拉應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3及圖8。

表3 典型測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值及測(cè)試值

圖8 不同加載次數(shù)后典型測(cè)點(diǎn)的主拉應(yīng)力

可見(jiàn)，在300萬(wàn)次的加載中，各測(cè)點(diǎn)在不同加載次數(shù)后的實(shí)測(cè)應(yīng)力與最初應(yīng)力基本一致，不同疲勞加載次數(shù)后的實(shí)測(cè)值存在4 MPa左右的波動(dòng)，由于應(yīng)力集中效應(yīng)，上1/4圓弧位置測(cè)試數(shù)據(jù)及波動(dòng)幅度均較其他測(cè)點(diǎn)大。以上各測(cè)點(diǎn)均位于母材上，且距離焊縫相對(duì)較遠(yuǎn)，雖然應(yīng)力較大，但其受焊接影響較小，試驗(yàn)結(jié)果表明其具有足夠的疲勞強(qiáng)度。其中300萬(wàn)次疲勞循環(huán)后靜載下測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力-荷載曲線見(jiàn)圖9，可見(jiàn)板件應(yīng)力隨荷載等級(jí)的增加呈線性關(guān)系，且應(yīng)力回零狀態(tài)良好，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，未發(fā)生明顯應(yīng)力重分布。

圖9 疲勞300萬(wàn)次后典型測(cè)點(diǎn)靜載歷程曲線

4.1.2 關(guān)鍵傳力焊縫試驗(yàn)結(jié)果

錨板與錨筒連接焊縫錨板側(cè)的實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果在1.87～15.77 MPa；焊縫錨筒側(cè)實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果在3.70～22.74 MPa。錨板與腹板對(duì)接焊縫錨板側(cè)的實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果在4.77～28.84 MPa；對(duì)接焊縫腹板側(cè)實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果在3.37～23.80 MPa。各焊縫主要測(cè)點(diǎn)隨疲勞次數(shù)增長(zhǎng)的實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表4。錨筒焊縫處主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨疲勞變化情況、錨板對(duì)接焊縫處主要測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨疲勞變化情況見(jiàn)圖10。

表4 焊縫處典型測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值及測(cè)試值

圖10 不同加載次數(shù)后典型測(cè)點(diǎn)的主拉應(yīng)力

由表4及圖10可知，經(jīng)過(guò)300萬(wàn)次疲勞加載后，錨筒焊縫附近測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在不同疲勞次數(shù)加載后存在一定的波動(dòng)，其規(guī)律性并不顯著且具有一定隨機(jī)性，說(shuō)明此應(yīng)力波動(dòng)不是因?yàn)闃?gòu)件產(chǎn)生疲勞裂紋引起而是由試驗(yàn)誤差引起的，因此，錨板與錨筒連接焊縫在300萬(wàn)次疲勞加載后仍保持良好受力性能，其疲勞強(qiáng)度滿足要求。

錨板對(duì)接焊縫的實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)塔端焊縫附近及錨板開(kāi)孔正下方附近測(cè)點(diǎn)主拉應(yīng)力測(cè)試值較大，達(dá)28.84 MPa，其余測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在20 MPa以內(nèi)。在前200萬(wàn)次疲勞加載中，各典型測(cè)點(diǎn)在不同疲勞加載次數(shù)后的實(shí)測(cè)值變化不大，加載過(guò)程中模型未出現(xiàn)異常。在200萬(wàn)次疲勞加載后，檢測(cè)此對(duì)接焊縫，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，疲勞性能滿足正常設(shè)計(jì)年限的要求。在200萬(wàn)～300萬(wàn)次加載中，在275萬(wàn)次后，測(cè)點(diǎn)N1-10、N9-15處應(yīng)力變化明顯，經(jīng)檢查，測(cè)值異常點(diǎn)的應(yīng)變片工作正常，分析認(rèn)為可能存在疲勞裂紋進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力重分布，鑒于此，在300萬(wàn)次之后，對(duì)關(guān)鍵傳力焊縫進(jìn)行檢測(cè)解剖，進(jìn)一步驗(yàn)證疲勞裂紋情況。

4.2 疲勞試驗(yàn)后檢測(cè)與解剖試驗(yàn)分析

結(jié)束300萬(wàn)次疲勞加載后，對(duì)疲勞受力不利的疲勞敏感區(qū)域及焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁粉及超聲波檢測(cè)探傷，檢測(cè)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)明顯的表面裂紋。為進(jìn)一步研究疲勞裂紋結(jié)果，對(duì)疲勞敏感區(qū)及主要焊縫進(jìn)行疲勞后的分層銑削解剖試驗(yàn)，解剖試驗(yàn)的具體位置包括：錨板開(kāi)孔上下1/4圓弧區(qū)段2個(gè)測(cè)區(qū)，錨板與錨筒連接焊縫靠近錨墊板區(qū)段2個(gè)測(cè)區(qū)，錨板與邊腹板對(duì)接焊縫兩端以及中間主拉應(yīng)力峰值區(qū)段3個(gè)測(cè)區(qū)，見(jiàn)圖11中1～7位置。切割15～20 cm局部鋼板送至專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行銑床作業(yè)，沿焊縫厚度方向每0.5 mm的厚度逐層銑削。解剖結(jié)果顯示，錨板開(kāi)孔1/4圓弧區(qū)段及錨板與錨筒連接焊縫處(測(cè)區(qū)4～7)均未產(chǎn)生疲勞裂紋；對(duì)接焊縫測(cè)區(qū)2未發(fā)現(xiàn)裂紋；對(duì)接焊縫測(cè)區(qū)1位置發(fā)現(xiàn)兩條裂紋，長(zhǎng)度分別為1.5、2 cm，裂紋與焊縫圓弧邊近乎垂直且近似平行于對(duì)接焊縫，一端連接焊縫內(nèi)部焊接缺陷點(diǎn)，另一端位于焊縫邊緣。測(cè)區(qū)3位置發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度為5.5 cm平行焊縫長(zhǎng)度方向的裂紋，此裂紋起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)均在焊縫內(nèi)部，一端距離焊縫起點(diǎn)約為3 cm，另一端靠近一微小焊接夾渣缺陷。

錨拉板疲勞試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，在275萬(wàn)次之后對(duì)接焊縫遠(yuǎn)塔側(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，根據(jù)焊縫附近測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)情況，推測(cè)裂紋在275萬(wàn)次疲勞循環(huán)后出現(xiàn)。但是由于近塔側(cè)裂紋相對(duì)較小，且在內(nèi)部尚未延伸至表面，其最近表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象。鑒于疲勞開(kāi)裂位置的理論及實(shí)測(cè)應(yīng)力均不高，對(duì)接焊縫中部開(kāi)孔下受力更為不利的測(cè)區(qū)2未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，可認(rèn)為處于對(duì)接焊縫兩端的焊接殘余應(yīng)力以及微小焊接缺陷對(duì)疲勞開(kāi)裂影響顯著。焊接缺陷周圍存在小孔應(yīng)力集中，缺陷周圍的應(yīng)力邊界條件接近雙向受拉(壓)與純剪狀態(tài)的疊加，可得孔邊圓周的環(huán)向應(yīng)力式為

σθ=σx(1-2cos2θ)+σy(1+2cos2θ)-4τxysin2θ

(1)

式中：x為坐標(biāo)軸水平方向；y為坐標(biāo)軸豎向；σθ為與x軸夾角為θ方向的環(huán)向正應(yīng)力；σx為缺陷周圍x方向正應(yīng)力；σy為缺陷周圍y方向正應(yīng)力；τxy為缺陷周圍剪應(yīng)力。對(duì)于測(cè)區(qū)1位置缺陷，σx=-12 MPa，σy=2 MPa，τxy=3 MPa，計(jì)算得最不利應(yīng)力σmax=σ-11.6°=20.5 MPa。對(duì)于測(cè)區(qū)3位置缺陷，σx=2 MPa，σy=15 MPa，τxy=2 MPa，σmax=σ-8.6°=44.2 MPa，可見(jiàn)由于小孔存在，導(dǎo)致孔邊應(yīng)力增大，從而在外力作用下局部的疲勞應(yīng)力幅被放大。但是焊接缺陷不是規(guī)則圓孔，缺陷附近應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)比圓孔缺陷更大，且其最不利應(yīng)力方向也與圓孔存在差別。

錨拉板對(duì)接焊縫兩端的疲勞細(xì)節(jié)中，在N=2.75×106，最不利應(yīng)力幅σ=28.84 MPa時(shí)候發(fā)生疲勞裂紋，根據(jù)文獻(xiàn)[16-18]采用的疲勞S-N曲線式為

lgN+mlgΔσi=C

(2)

式中：N為疲勞周次；m為曲線反斜率；Δσi為疲勞應(yīng)力幅；C為常數(shù)。

根據(jù)TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]中對(duì)接焊縫疲勞細(xì)節(jié)S-N曲線方程，m=3.5，將錨拉板N、σ?guī)肭蟮肅=11.55，此時(shí)有焊接缺陷的豎向?qū)雍缚p疲勞細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度為31.59 MPa；根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]S-N曲線方程，m=3，將錨拉板N、σ?guī)肭蟮肅=10.82，此時(shí)有焊接缺陷的豎向?qū)雍缚p疲勞細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度為32.07 MPa。

測(cè)區(qū)1、3位置處于焊縫兩端即起滅弧段，存在的焊接缺陷更進(jìn)一步加大殘余應(yīng)力的影響，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的發(fā)生。在275萬(wàn) ～300萬(wàn)次疲勞加載中，裂紋情況保持穩(wěn)定，沒(méi)有明顯發(fā)展擴(kuò)大跡象，亦未擴(kuò)展至表面。表明該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的疲勞強(qiáng)度要求，并有一定的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備，但在對(duì)接焊縫兩端存在相對(duì)薄弱的疲勞細(xì)節(jié)。通過(guò)提高焊縫質(zhì)量降低焊接缺陷，并通過(guò)設(shè)置引、熄弧板降低焊接殘余應(yīng)力，能夠有效提高其抗疲勞開(kāi)裂性能。

5 結(jié)論

對(duì)大跨度鐵路鋼箱梁對(duì)接式無(wú)肋錨拉板進(jìn)行模型試驗(yàn)，探討其疲勞性能，得到研究結(jié)論如下：

(1)對(duì)接式無(wú)肋錨拉板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳力明確，在疲勞索力幅下，結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力量值不高，在錨筒與錨板連接焊縫靠近承壓板端、錨板開(kāi)孔圓弧位置、錨板與邊腹板對(duì)接焊縫的遠(yuǎn)塔端以及中部區(qū)域存在應(yīng)力峰值及一定應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng)為錨拉板結(jié)構(gòu)的主要疲勞敏感區(qū)域。

(2)基于多次仿真分析試算，以錨板的對(duì)接焊縫受力等效為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出包含完整錨拉板、局部箱梁頂板及腹板的足尺疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其與原橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力誤差在5.0 MPa以內(nèi)，驗(yàn)證其與原橋受力等效良好。

(3)疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值相符良好，整個(gè)結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力最大為77.04 MPa，其余多在50.0 MPa以內(nèi)，在200萬(wàn)次疲勞循環(huán)周期內(nèi)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本無(wú)變化；在200萬(wàn)次疲勞循環(huán)后的追加疲勞試驗(yàn)中，在275萬(wàn)次后發(fā)現(xiàn)對(duì)接焊縫兩端出現(xiàn)應(yīng)力重分布，但未見(jiàn)表面裂縫等，表明新型錨拉板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)疲勞性能良好。

(4)在300萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，對(duì)7個(gè)主要疲勞敏感區(qū)進(jìn)行銑削解剖試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)接焊縫兩端內(nèi)部存在平行于對(duì)接焊縫的疲勞裂紋及焊接缺陷，而其余區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂縫，可見(jiàn)殘余應(yīng)力及焊接缺陷是疲勞開(kāi)裂的主要影響因素，可通過(guò)提高焊接質(zhì)量并設(shè)置引、熄弧板來(lái)提升焊縫兩端的抗疲勞開(kāi)裂性能。