正交異性板鋼桁結(jié)合梁焊接細節(jié)疲勞性能分析

黃鶴， 秦攀

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430052)

正交異性板鋼桁結(jié)合梁結(jié)構(gòu)自重較輕，其自重僅為同體積PC梁的1/5，因此對于跨度較大且對自重要求較高的橋梁，正交異性板鋼桁結(jié)合梁是一種極具優(yōu)勢的構(gòu)造形式。正交異性板鋼桁梁制造工藝主要由縱肋及各桁架結(jié)構(gòu)與橋面蓋板焊接而成，在橋梁運營過程中，由于其構(gòu)造細節(jié)及節(jié)點多，各焊接連接部位的受力情況復雜，因此對于其構(gòu)造細節(jié)疲勞性能的研究十分必要。肖林，劉麗芳[1]等采用XFEM(擴展有限元法)，在斷裂力學的基礎上，對過焊孔構(gòu)造細節(jié)的裂紋擴展過程中的疲勞壽命進行了評估，得出翼緣板與腹板交界處的焊縫較薄弱的結(jié)論；葉星漢、曹一山[2]等制作了正交異性鋼板U肋與蓋板的試件，并對焊接節(jié)點進行了疲勞試驗，通過實測數(shù)據(jù)對其疲勞壽命進行了預測與評估，結(jié)果顯示U肋與蓋板在循環(huán)加載下出現(xiàn)裂紋，裂紋在初期緩慢擴展，當裂紋的路徑通過蓋板后加速擴展；崔麗君、于瑾[3]等利用Ansys建立了梁柱節(jié)點的焊接模型，并通過熱彈塑性理論，給出了該構(gòu)件溫度場下的殘余應力；張清華、羅鵬軍[4]等設計了7組試件對鐓邊縱肋與頂板焊接構(gòu)造細節(jié)進行了疲勞試驗研究，試驗證明這一新型構(gòu)造細節(jié)在抗疲勞方面無明顯改善；廖小偉、王元清[5]等利用自己編寫的S-N曲線的疲勞評估程序，對鋼橋的3種焊接細節(jié)進行了試驗，并采用Abaqus驗證了該程序?qū)τ阡摌蚝附悠谠u估是可行的；Ali,ShahramShahrooi[6]等用無網(wǎng)格局部Petrov-Galerkin方法預測了焊接殘余應力場中的疲勞裂紋擴展；AraqueOscar、Arzola Nelson[7]等利用Ansys建立模型研究了對接焊接接頭試樣在軸向力作用下產(chǎn)生疲勞從而引起的裂紋行為，并通過計算裂紋前沿的應力強度因子，得出由于幾何應力的集中效應，使得位于焊趾中的應力與焊接鋼筋的尺寸成比例的最大化；Giovanni Meneghetti、Alberto Campagnolo[8]等采用峰值應力法對焊接接頭進行了疲勞設計，并通過試驗驗證了其有效性；Krzysztof[9]通過試驗研究了采用一種新型焊接技術(shù)制造的弧焊接頭的疲勞特性；Timothy D. Righiniotis、MariosK[10]等研究了概率斷裂力學方法在橋梁譜加載下裂縫存在下預測焊接鋼細節(jié)疲勞壽命的應用，基于模擬疲勞裂紋擴展的雙線性關系，并結(jié)合了破壞標準來描述裂縫和塑性坍塌之間的相互作用?？梢妵鴥?nèi)外學者對于焊接疲勞特性進行了大量研究，開辟了一系列的理論方法，但是對于正交異性板鋼桁結(jié)合梁構(gòu)造細節(jié)的疲勞研究則較少。金正凱、卜之一[11]等基于Kriging方法，建立某正交異性板鋼橋面板模型，并對其進行了抗疲勞參數(shù)優(yōu)化設計；王會利、秦泗鳳[12]針對大連星海灣大橋的雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)進行了疲勞試驗，并建立了有限元模型進行對比，結(jié)果表明：大部分節(jié)點的疲勞容許應力都低于試驗值；周細輝、黃坤[13]利用Ansys對鋼橋面板縱肋對接焊縫的疲勞裂紋進行了裂紋擴展特性研究，通過計算應力強度因子研究了裂紋擴展過程中的規(guī)律。

該文以某正交異性板鋼桁結(jié)合梁為背景，制作了該橋3處典型構(gòu)造細節(jié)的試件，并對這3個試件設計了靜載試驗與疲勞試驗，將試驗與有限元分析相互結(jié)合，分析這3種細節(jié)的疲勞性能，并將試驗分析結(jié)果反饋到設計，及時修正該橋制造中的部分構(gòu)造細節(jié)。

1 疲勞試件設計與制造

根據(jù)實橋情況分別設計了該橋構(gòu)造細節(jié)的3組試件，3組試件分別對應實橋中橋面板工地焊接采用的碼板、U肋與橫隔板及橋面板焊接構(gòu)造、橋面板與橫隔板及U肋交叉焊縫構(gòu)造，將3組試件編號為H3、H4、H5，焊接試件的主要材質(zhì)為Q370qE鋼，試件采用與實際橋梁一致的制作工藝，其中H3號試件全長960 mm，最大寬度250 mm，厚度24 mm；H4號試件長度564 mm，最大寬度306 mm，焊孔直徑18 mm；H5號試件長度858 mm，最大寬度378 mm，焊孔直徑24 mm，焊接材料均采用Supercored71H(藥芯焊絲CO2氣體保護焊)，3種試件設計圖如圖1所示。

圖1 3種試件設計圖(單位：mm)

2 理論計算與靜載試驗

2.1 理論計算

H3號試件模擬橋面板工地焊接采用碼板的構(gòu)造細節(jié)，該試件焊接碼板后，將碼板鏟掉，重新打磨平順，計算采用Solid45八節(jié)點六面體單元，共劃分800個單元，1 422個節(jié)點，由于碼板是用于連接橋面板的臨時構(gòu)件，因此將試件的一端采用固定約束，即約束x、y、z方向的位移和轉(zhuǎn)角，在另一端施加單位400 kN的均布荷載，用于模擬碼板軸向受拉的危險應力狀態(tài)。H4號試件通過開圓孔避免焊縫交叉，計算采用Solid45八節(jié)點六面體單元，模型共劃分9 518個單元，14 805個節(jié)點，在試件底部施加固定約束，在頂部施加單位400 kN的均布拉力，用以模擬汽車移動荷載施加到橋上時，橋面板因整體和局部變形在橫隔板和橋面板焊縫上產(chǎn)生的作用。H5號試件模擬橋面板與橫隔板及U肋交叉焊縫并在橫隔板與U形肋焊接處開孔，試件計算采用Solid45八節(jié)點六面體單元，模型共劃分3 847個單元，6 839個節(jié)點，在試件底部施加固定約束，在開孔兩側(cè)加載部位施加單位200 kN的均布壓力，用以模擬橋面板在局部荷載作用下產(chǎn)生面外變形，導致橫隔板與U肋焊接處產(chǎn)生相對位移而導致的危險應力狀態(tài)，3種試件有限元模型及網(wǎng)格劃分情況見圖2。

圖2 3種試件網(wǎng)格劃分

在施加約束和荷載的條件下進行求解，所得Mises應力分布云圖如圖3所示。

從圖3可以看出：H3號試件發(fā)生應力集中的部位為試件圓弧區(qū)域向中間靠近的部分，最大應力為244.08 MPa；H4號試件最大應力為348.45 MPa，應力集中位置主要在U形肋與橋面板焊接處；H5號試件最大應力為521.53 MPa，發(fā)生在加載處的底部，同時橫隔板圓弧處也有很大應力集中，橫隔板與U形肋焊接部位應力不大，比較大的正拉力主要集中在從橫隔板圓弧缺口處放射出去的一片區(qū)域。

圖3 3種試件Mises應力分布圖(單位：MPa)

2.2 靜載試驗

為了保證后續(xù)試驗中疲勞加載裝置的正常運行以及了解試件進行疲勞加載時的應力分布狀態(tài)，利用結(jié)構(gòu)疲勞試驗機對3組試件分別進行了靜載測試，保證與相應試件疲勞試驗的加載裝置相同，加載位置與有限元計算保持一致。根據(jù)試件形狀以及有限元計算結(jié)果，選擇合理的位置布置應變片測點，3種試件的測點位置如圖4所示。

圖4 3種試件測點布置圖

由試驗數(shù)據(jù)整理的回歸曲線如圖5所示，由圖5可以看出：測試結(jié)果與理論值相差不大，試驗系統(tǒng)滿足要求。H3號試件應力基本分成3個部分，中間的3、4號兩個測點應力大于一側(cè)1、2號測點和另一側(cè)的5、6號測點，原因是試件在中間部位有效截面面積較小，同等條件下容易產(chǎn)生較大的拉應力；當施加到400 kN的荷載時，3號點應力達到197.27 MPa，測點3應力要明顯大于兩邊測點1、5。其原因可能是試件在焊接處的測點應力呈中心放射性分布。由圖5(b)可知：測點3、5靠近焊接部位，將其在荷載400 kN加載時測得的應力值平均得155.42 MPa，與有限元計算值153.27 MPa接近，表明試驗數(shù)據(jù)符合預期要求。由圖5(c)可知：1號測點是橫隔板圓弧測點橫向應力，2號測點為橫隔板與U肋焊接處豎向應力，試驗結(jié)果顯示這兩個測點是所有測點中數(shù)值最大的，這兩個方向的力導致該種構(gòu)造在疲勞斷裂時，先是沿著焊趾起裂，然后在橫隔板上斜向擴展。

圖5 3種試件靜載回歸曲線

從規(guī)律來看，實測與試件有限元計算基本保持一致，個別點存在誤差，主要是由于試件加載時產(chǎn)生撓度，加載塊與接觸點無法保證理想的平面，同時計算過程中邊界條件假設、測點位置與實際有一定的誤差所致，但總體分布規(guī)律一致。

3 疲勞試驗

3.1 試驗方法

由于各試件的結(jié)構(gòu)形式不同，通過專門設計的液壓伺服機進行疲勞試驗，3種試件具體試驗情況見圖6。

圖6 疲勞試驗圖

3種試件具體加載方案如下：首先利用液壓伺服機進行預加載，使得試件約束部位及加載部位接觸良好，進入正常工作狀態(tài)，H3及H4號試件在2 000 kN液壓伺服疲勞試驗機完成，各試件疲勞試驗最小控制噸位均取10 kN，進行拉-拉循環(huán)加載，H5號試件通過設計專門裝置由3 800 kN多頭結(jié)構(gòu)疲勞試驗機上的±1 000 kN加載裝置完成，疲勞試驗最小控制噸位均取5 kN，進行壓-壓循環(huán)加載，試驗過程中利用酒精涂抹并借助放大鏡觀察，當發(fā)現(xiàn)裂紋后，記錄此時的循環(huán)次數(shù)，繼續(xù)疲勞加載至裂透板厚或試件斷開，以此時的循環(huán)次數(shù)作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.2 試驗結(jié)果

為了取得準確結(jié)果，制作了多個相同的試件，持續(xù)施加循環(huán)荷載，得到試驗結(jié)果如表1所示，3種試件裂紋情況如圖7所示。

表1 疲勞試驗結(jié)果統(tǒng)計

由圖7可以看出：H3試件在與碼板焊接處開始起裂，裂紋從內(nèi)部逐漸擴展。H4號試件主要從U形肋與橋面板對接焊處起裂，之后，U肋焊縫交叉點過焊孔邊緣開始起裂，并沿著橫隔板向內(nèi)擴展，最后發(fā)展為試件在橫隔板處沿焊趾斷裂。H5號試件的疲勞破壞位置有兩種情況：① 在橫隔板與U肋焊接部位下焊趾，起先沿著焊趾起裂，后來在橫隔板上斜向擴展；② 在U肋上焊趾起裂，一直沿著上焊趾擴展，擴展速度緩慢。兩種情況裂紋源都在角焊縫根部，即裂紋起點均產(chǎn)生在橫隔板與U肋焊趾根部，然后自內(nèi)向外擴展。根據(jù)各構(gòu)造的疲勞破壞特征，擬合疲勞試驗結(jié)果，得出該橋主橋鋼結(jié)構(gòu)3種關鍵構(gòu)造細節(jié)疲勞S-N曲線推薦公式如表2所示。

表2 3種構(gòu)造細節(jié)推薦疲勞設計S-N曲線

圖7 疲勞試驗圖

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)靜載試驗結(jié)果，H3號試件在中間部位應力最大，其原因在于中間碼板部位橫截面積較小，同等外部條件下，該截面容易產(chǎn)生較大的應力，在循環(huán)荷載的作用下，容易引起開裂，疲勞試驗結(jié)果也表明該構(gòu)件容易在中間部位斷裂。

(2) H4號試件主要從U形肋與橋面板對接焊處起裂，說明此處焊縫較薄弱，靜載試驗結(jié)果也顯示在此處應力最大，在400 kN的拉力荷載下，焊縫處測點的平均應力達到155.42 MPa。

(3) H5號試件靜載試驗結(jié)果表明橫隔板與U肋焊接處的橫向應力和豎向應力均較大，這兩個方向的力導致該種構(gòu)造在疲勞斷裂時，先是沿著焊趾起裂，然后在橫隔板上斜向擴展，同疲勞試驗所顯示的裂縫特征一致，同時有限元模型在橫隔板與U肋焊接處附近也出現(xiàn)較大的應力集中，更加說明橫隔板與U肋焊接處是該構(gòu)件最薄弱的部位。

(4) 利用試驗數(shù)據(jù)擬合了S-N曲線，并給出了焊接構(gòu)件的推薦設計曲線，可根據(jù)試驗結(jié)果修正該橋建造過程中的部分構(gòu)造細節(jié)，保證橋梁質(zhì)量。