城市快速路鋼橋梁細(xì)部節(jié)點(diǎn)的疲勞分析

張鴻杰

摘要 以某城市快速路鋼橋梁工程為例，制備3組共9個(gè)試件，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果探討橋梁主桁對(duì)接桿件中過(guò)焊孔構(gòu)造的疲勞性能。研究表明，疲勞性能最薄弱部位發(fā)生在過(guò)焊孔與翼緣板－腹板焊縫交叉的焊趾處，針對(duì)此處做200萬(wàn)次荷載循環(huán)試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果顯示疲勞性能低于規(guī)范對(duì)此節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性能要求，構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度主要與過(guò)焊孔的角焊縫質(zhì)量有關(guān)，建議規(guī)范焊接作業(yè)方式、嚴(yán)格管控焊接質(zhì)量，以保證構(gòu)造細(xì)節(jié)有良好的疲勞性能。

關(guān)鍵詞 鋼桁梁；焊接細(xì)節(jié)；過(guò)焊孔；疲勞性能

中圖分類(lèi)號(hào) TU758.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0150-03

0 引言

現(xiàn)代鋼橋在設(shè)計(jì)和施工中，大量采用了高效且安全的焊接結(jié)構(gòu)。它的應(yīng)用部位繁多，廣泛分布在橋梁的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。在焊接結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)楹附庸に嚨挠绊?，而在橋梁上遺留大量的焊接殘余應(yīng)力和焊接缺陷。這些微觀(guān)的應(yīng)力影響范圍相對(duì)隱蔽，不易被察覺(jué)，卻能在一定程度上削弱橋梁的整體結(jié)構(gòu)性能，影響其安全與穩(wěn)定性，給鋼橋的疲勞性能帶來(lái)潛在的威脅[2]。

對(duì)于一些大跨度的鋼桁梁橋，特別是那些設(shè)計(jì)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)跨度大、桿件連接數(shù)量多的橋梁，它們的整體節(jié)點(diǎn)多，連接部位的應(yīng)力分布更加復(fù)雜[3]。因?yàn)闂U件間的連接關(guān)系緊密，不同部位的應(yīng)力相互影響，從而在連接部位產(chǎn)生了更加復(fù)雜且難以控制的應(yīng)力場(chǎng)。在這些區(qū)域，由于應(yīng)力的疊加和交匯，會(huì)導(dǎo)致鋼桁梁橋的結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題更加突出[4]。這就對(duì)鋼橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求，因此需要我們對(duì)橋梁的疲勞問(wèn)題給予更多的關(guān)注和研究，以保障鋼橋的安全運(yùn)行[5]。

1 鋼橋梁疲勞研究

鋼桁梁橋是一種以鋼桁架為主材的橋梁，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、承載能力強(qiáng)、跨度大等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)并行交通，并且更適合公鐵兩用橋的建設(shè)。因此，鋼桁梁橋成為首選的橋梁形式。雖然鋼桁梁橋具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但疲勞損傷成為其關(guān)鍵問(wèn)題。鋼桁梁橋在長(zhǎng)期使用中，其結(jié)構(gòu)會(huì)受到多種形式的疲勞作用，如彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等，這些因素都會(huì)對(duì)鋼桁梁橋的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命產(chǎn)生重要影響。因此，需要對(duì)鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，以減少疲勞損傷對(duì)橋梁的影響。綜上所述，鋼桁梁橋是大跨度橋梁的首選形式，其輕質(zhì)、跨度大、施工短等優(yōu)勢(shì)使得其在城市建設(shè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但疲勞損傷成為鋼桁梁橋的關(guān)鍵問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行深入研究，以確保其結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。

傳統(tǒng)鉚接、栓接節(jié)點(diǎn)鋼桁梁橋存在施工效率低、操作繁瑣、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等局限性。整體節(jié)點(diǎn)在傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)突破，有效規(guī)避了傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的諸多弊端，成為當(dāng)前鋼桁梁橋的常用節(jié)點(diǎn)形式。整體節(jié)點(diǎn)作為重要的連接構(gòu)件，可用于連接弦桿、腹桿及下橫梁等結(jié)構(gòu)，但必須保證整體節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)均保持穩(wěn)定，否則將影響橋梁構(gòu)件連接效果，甚至誘發(fā)鋼桁梁橋整體失效問(wèn)題。整體節(jié)點(diǎn)的組成包含節(jié)點(diǎn)板、接頭板、上下蓋板、腹板等，構(gòu)件間采取焊接的連接工藝，而構(gòu)件類(lèi)型多樣，焊接節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的焊縫較多，可能由于殘余應(yīng)力、焊接缺陷等原因而導(dǎo)致焊縫的應(yīng)力分布偏離正常狀態(tài)，影響局部受力穩(wěn)定性。在橋梁使用階段，整體節(jié)點(diǎn)的受力條件錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)開(kāi)孔處、截面變化處可能由于焊孔、人孔等構(gòu)造措施的設(shè)置而集中大量應(yīng)力，加之車(chē)輛荷載的反復(fù)作用，整體節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)疲勞損傷，大幅度地降低承載性能，威脅到橋梁的穩(wěn)定性和耐久性。因此，需要根據(jù)橋梁建設(shè)和交通狀況預(yù)測(cè)已建橋梁整體節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，制定科學(xué)的養(yǎng)護(hù)措施。

當(dāng)前，人工定期目視檢查是常見(jiàn)的鋼橋疲勞損傷檢測(cè)方法，但存在檢測(cè)結(jié)果精度低、效率低等問(wèn)題。鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)具有封閉或半封閉的特點(diǎn)，焊縫較為隱蔽，目視檢查的難度大。并且，鋼桁橋梁目視檢查依靠人工進(jìn)行，檢查人員的主觀(guān)因素直接影響檢查結(jié)果的客觀(guān)性，難以獲得準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)結(jié)果。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于重要的橋梁監(jiān)測(cè)工具，其依靠?jī)x器進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，精度較高，受干擾因素少，可獲得海量準(zhǔn)確可靠的橋梁狀態(tài)信息，但要求技術(shù)人員善于從海量信息中提取具有利用價(jià)值的信息，經(jīng)過(guò)分析后評(píng)估橋梁的服役狀態(tài)，分析橋梁可能出現(xiàn)的疲勞損傷，據(jù)此采取養(yǎng)護(hù)維修措施。

2 疲勞試驗(yàn)方案

2.1 模型設(shè)計(jì)

主桁腹桿以工字型截面優(yōu)化城市快速路大橋設(shè)計(jì)，提升穩(wěn)定性和安全性，節(jié)約材料，達(dá)成高效性和經(jīng)濟(jì)性平衡。其靈活調(diào)整特性在大橋設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，需持續(xù)調(diào)整以適應(yīng)實(shí)際情況。主桁腹桿與節(jié)點(diǎn)共用腹板，節(jié)約材料，提升穩(wěn)定性。翼緣板熔透對(duì)焊，確保結(jié)構(gòu)牢固，避免焊縫交叉產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和焊接缺陷。我們對(duì)焊縫相交區(qū)域的過(guò)焊孔進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，以提升大橋穩(wěn)定性和安全性，過(guò)焊孔設(shè)計(jì)充分考慮大橋?qū)嶋H需求和因素，完善焊接工藝，提高大橋質(zhì)量和性能，保障大橋安全穩(wěn)定。

考慮到腹桿尺寸和荷載均較大，僅在設(shè)計(jì)階段選取部分翼緣板及腹板進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。腹桿內(nèi)力包括軸向力和節(jié)點(diǎn)剛性引起的附加彎矩。由于桿件長(zhǎng)細(xì)比大，附加彎矩影響較小，為了控制偏心引起的附加彎曲應(yīng)力，以翼緣為軸將T形截面鏡像為十字形截面。為避免邊界干擾，選用了長(zhǎng)度為1 290 mm的試件，其中測(cè)試區(qū)段長(zhǎng)度為300 mm。過(guò)焊孔可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此調(diào)整試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)，確保疲勞易損點(diǎn)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。確定的過(guò)焊孔細(xì)節(jié)疲勞試件構(gòu)造見(jiàn)圖1。

考慮實(shí)際工藝不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，故試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭懈拱迮c翼緣板一側(cè)用鈍邊坡口熔透角焊縫，另一側(cè)用普通角焊縫，比較焊縫形式對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的影響。

2.2 加載方案

連接螺栓可能由于疲勞加載而出現(xiàn)疲勞破壞，為避免此問(wèn)題，試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)精心挑選材料，例如地錨梁與反力架、試件與工裝間采用的是12.9級(jí)細(xì)牙高強(qiáng)特制螺栓連接，42CrMo材質(zhì)。加載試驗(yàn)期間加強(qiáng)觀(guān)察，若被測(cè)件出現(xiàn)疲勞裂紋，增加采集信息的頻率，應(yīng)變片和螺栓受損時(shí)需及時(shí)更換。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未詳述構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度，但發(fā)現(xiàn)標(biāo)注為71 MPa的類(lèi)似構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞等級(jí)。為準(zhǔn)確呈現(xiàn)過(guò)焊孔焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)在曲線(xiàn)左側(cè)斜直線(xiàn)段內(nèi)的變化趨勢(shì)，我們?cè)O(shè)計(jì)系列疲勞試驗(yàn)，設(shè)3種應(yīng)力工況，每工況9個(gè)試件。試驗(yàn)荷載為受拉正弦荷載，最小拉力為拉力最大值的10%。詳情見(jiàn)表1。

2.3 測(cè)試方案

通過(guò)ABAQUS進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊治?，確定測(cè)點(diǎn)的布置方案。測(cè)試采用的應(yīng)變片布設(shè)在翼緣板與腹板的正反面，遵循對(duì)稱(chēng)布置的原則，便于在試驗(yàn)期間觀(guān)測(cè)是否有偏心問(wèn)題。各試件的翼緣板、腹板的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)數(shù)量分別為18個(gè)、12個(gè)，每個(gè)試件的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)總量為3個(gè)。

疲勞加載前，采用無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)試件，判斷是否有初始缺陷；試驗(yàn)加載時(shí)加強(qiáng)無(wú)損探傷檢測(cè)，著重判斷被測(cè)試件疲勞易損部位是否存在裂紋，一旦發(fā)現(xiàn)則及時(shí)用裂縫觀(guān)測(cè)儀做細(xì)致的檢測(cè)，確定裂縫的分布位置及尺寸參數(shù)；試驗(yàn)檢測(cè)人員完整記錄發(fā)現(xiàn)裂縫時(shí)的疲勞荷載次數(shù)。

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.1 疲勞破壞過(guò)程

在針對(duì)疲勞測(cè)試工況下試件破壞過(guò)程的研究中，我們觀(guān)察到了某種一致性的顯現(xiàn)：當(dāng)受到循環(huán)荷載作用時(shí)，焊縫附近的翼緣板，特別是邊緣的焊趾部位，首先出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著疲勞損傷的持續(xù)，裂紋開(kāi)始在翼緣板的寬度和厚度上同步擴(kuò)展。當(dāng)裂紋穿過(guò)翼緣板的厚度方向時(shí)，它會(huì)在翼緣板的寬度上左右各延伸10 mm。當(dāng)裂紋持續(xù)擴(kuò)展時(shí)，工作面逐漸被削弱。裂紋以高速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致翼緣板斷裂，而腹板尚未出現(xiàn)裂紋。在循環(huán)荷載進(jìn)一步提升的背景下，過(guò)焊孔頂部（圖2中的B點(diǎn)）開(kāi)始出現(xiàn)疲勞裂紋。裂紋沿腹板邊緣延伸并擴(kuò)展，形成貫穿板厚的裂紋。最終，隨著有效面積的減少，試件在疲勞荷載下發(fā)生斷裂。圖2展示了試件的破壞模式。根據(jù)有限元分析和測(cè)試結(jié)果，過(guò)焊孔附近的翼緣板和腹板上都存在由外形突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中點(diǎn)，且應(yīng)力梯度較大，這是抗疲勞的脆弱環(huán)節(jié)。盡管翼緣板上應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力值（A點(diǎn)）低于腹板上的應(yīng)力集中點(diǎn)，但是由于A(yíng)點(diǎn)的焊縫交錯(cuò)，在焊接過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生初始裂紋缺陷。此外，A點(diǎn)的翼緣板與腹板是通過(guò)普通的角焊縫連接的，這也解釋了疲勞試件為何總是從A點(diǎn)開(kāi)始破裂的現(xiàn)象。

3.2 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)中測(cè)得裂縫擴(kuò)展不同階段的疲勞荷載次數(shù)，疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

分析各試件的應(yīng)力－荷載循環(huán)曲線(xiàn)圖3可知，彼此間具有諸多共性。從曲線(xiàn)發(fā)展特性來(lái)看，可概括為兩個(gè)階段：一是循環(huán)荷載作用80萬(wàn)次前，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值波動(dòng)幅度較小，曲線(xiàn)呈平直狀態(tài)，試件剛度無(wú)明顯變化；二是循環(huán)荷載作用超過(guò)80萬(wàn)次后，在此階段的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力有明顯的波動(dòng)，曲線(xiàn)產(chǎn)生拐點(diǎn)。結(jié)合表2的荷載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果推測(cè)導(dǎo)致曲線(xiàn)發(fā)生變化的原因：荷載循環(huán)作用次數(shù)達(dá)到82.19萬(wàn)次后，翼緣板裂紋半長(zhǎng)達(dá)到10 mm，釋放板內(nèi)拉應(yīng)力，降低板的剛度，板承受較強(qiáng)的荷載作用，伴隨拉應(yīng)力明顯升高的變化趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)分析，我們注意到中心裂紋在長(zhǎng)度達(dá)到10 mm前，其疲勞荷載循環(huán)次數(shù)顯著提升。這一情況暗示著試件在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)受了更高強(qiáng)度的疲勞。盡管裂紋已經(jīng)達(dá)到10 mm，其力學(xué)性質(zhì)并未發(fā)生顯著變化，這為我們提供了有力的證據(jù)，表明我們可以根據(jù)10 mm的翼緣板裂縫半長(zhǎng)來(lái)計(jì)算疲勞壽命。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法，計(jì)算疲勞循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅，得到該處lg（Δσ）－lg（N）擬合曲線(xiàn)（圖4）及Δσ－N曲線(xiàn)回歸方程（失效概率為50%）即：

lg（N）=14.03?3.704 lg（Δσ） （1）

當(dāng)N=200×10⁴次時(shí)，應(yīng)力幅Δσ=122.1 MPa。

相關(guān)系數(shù)|γ|=|?0.772|=0.772＞0.620。

Lg（N）的標(biāo)準(zhǔn)差s=0.136 0。

將式（1）的均值線(xiàn)減去2倍的lg（N）的標(biāo)準(zhǔn)差（2 s），得到95%置信度的下限值方程（失效概率為2.3%）。

Lg（N）=13.758?3.704 lg（Δσ） （2）

當(dāng)N為200×104次時(shí)，應(yīng)力幅Δσ=103.09 MPa。

該數(shù)值低于疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，原因是角焊縫而非坡口熔透角焊縫，疲勞性能較差。在實(shí)際應(yīng)用中，必須控制焊縫質(zhì)量，嚴(yán)格控制參數(shù)，確保焊透率與連續(xù)性。

4 結(jié)論

在面對(duì)某城市快速路大橋主桁腹桿－節(jié)點(diǎn)對(duì)接桿件的過(guò)焊孔構(gòu)造細(xì)節(jié)這一復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，我們對(duì)3組共計(jì)9個(gè)試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并通過(guò)擴(kuò)展有限元方法預(yù)測(cè)了橋梁構(gòu)件的疲勞壽命。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，得出了若干具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

（1）驗(yàn)證了對(duì)于過(guò)焊孔與翼緣板、腹板焊縫交叉處的焊趾部位作為疲勞開(kāi)裂起始點(diǎn)的觀(guān)察結(jié)果。事實(shí)證明，焊趾是焊接接頭中的應(yīng)力集中區(qū)域，也是疲勞裂紋的源發(fā)之地。因此，提高該區(qū)域的焊接質(zhì)量和強(qiáng)度可以有效地增強(qiáng)橋梁構(gòu)件的疲勞性能。這將為類(lèi)似的焊接接頭提供啟示，通過(guò)改善焊趾區(qū)域的焊接質(zhì)量和強(qiáng)度，可以有效地抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生，從而延長(zhǎng)橋梁構(gòu)件的使用壽命。

（2）構(gòu)造細(xì)節(jié)在橋梁構(gòu)件的過(guò)焊孔部分對(duì)疲勞性能有著決定性的作用。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的過(guò)程中，我們察覺(jué)到過(guò)焊孔的位置、尺寸以及其與翼緣板和腹板焊縫交叉的程度對(duì)橋梁構(gòu)件的疲勞性能有所影響。因此，在設(shè)計(jì)橋梁構(gòu)件時(shí)，我們有必要深度考慮過(guò)焊孔的構(gòu)造細(xì)節(jié)，以確保橋梁構(gòu)件具備優(yōu)越的疲勞性能。

（3）在200萬(wàn)次荷載循環(huán)的試驗(yàn)環(huán)境中測(cè)量了構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度，結(jié)果為103.09 MPa。這個(gè)數(shù)值低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我們發(fā)現(xiàn)，疲勞強(qiáng)度低的原因在于制造過(guò)程中未采用特殊連接工藝，使用了普通角焊縫連接腹板和翼緣板，降低了關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)的疲勞性能。

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