正交異性鋼橋面板U肋與橋面板連接處焊縫的疲勞評估

譚康榮

摘 要：本疲勞試驗(yàn)結(jié)果研究報(bào)告中的寬300mm的試件有三個細(xì)節(jié)：80%的焊縫熔深（80%PJP），焊縫熔穿（WMT）和兩者都有。該試件是從厚16mm的足尺正交異性橋面板試件上切割下來的。在疲勞試驗(yàn)中，橋面板承受循環(huán)彎曲載荷，加勁肋不施加荷載。從疲勞斷裂面發(fā)現(xiàn)WMT可能會影響疲勞裂紋的產(chǎn)生。觀察發(fā)現(xiàn)疲勞開裂傾向于發(fā)生在底部，而不是坡腳。從S-N圖表明，WMT試件的疲勞強(qiáng)度略低于80%PJP試件，但他們的區(qū)別更可能是由于測試的離散數(shù)據(jù)引起的，這意味著這兩個細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度具有相似性。目前的測試結(jié)果滿足于JSSC-E（ 2×l06 次循環(huán)后達(dá)80 MPa）和AASHTO-C（2×l06 次循環(huán)后達(dá)89 MPa）荷載下的S-N曲線。

關(guān)鍵字 ：正交異性鋼橋面板；肋板焊縫； 疲勞強(qiáng)度 ；平面彎曲； 疲勞裂縫； 疲勞壽命

介紹

由于正交異性鋼橋面U肋（OSDs）（凹槽肋）質(zhì)量輕、安裝快速、承載力高，被廣泛應(yīng)用于懸索橋，斜拉橋和城市高架橋。在日本，大多數(shù)由OSDs組成的橋面板都厚12mm，橋面瀝青路面厚60-80mm， 縱向鋪設(shè)許多標(biāo)準(zhǔn)尺寸的U肋，由間隔從2～4.5米的橫梁支撐。U肋經(jīng)常用焊腳為6mm的角焊焊接到橋面板，需要一些焊接熔透。在日本道路協(xié)會規(guī)范（JRA 2002），75%的焊接熔透率是必需的。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)節(jié)那么疲勞評價就沒有必要了。注意LRFD橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO 2004年）規(guī)定正交異性橋面板焊縫熔透要達(dá)到80%。

文獻(xiàn)綜述

最近，日本經(jīng)常報(bào)道兩種OSDs正交異性橋面板上的疲勞裂紋，第三種可能出現(xiàn)的疲勞裂紋如下圖1所示 。橋面底部的裂縫在過去十年中備受關(guān)注。裂紋的萌生點(diǎn)是在焊縫底部和U肋內(nèi)部，檢查困難。一旦裂縫通過的橋面板傳播，就會影響瀝青路面，也會影響車輛運(yùn)行的安全性。迄今為止在日本已經(jīng)進(jìn)行了很多深入的研究。例如，Mizuguchi等（2004）提出新的OSD，即橋面板是標(biāo)準(zhǔn)厚度的1.5倍，U肋也比標(biāo)準(zhǔn)OSD大1.5倍。新的細(xì)節(jié)被用于連接?xùn)|京和名古屋的新建東名高速公路上的一些新的橋梁上。Miki等人（2005年），通過有限元分析表明，橋面板的小彎曲剛度主要可能是由疲勞裂紋引起的。通過全尺模型試驗(yàn)，Ono等（2009）提出用鋼筋混凝土（SFRC）改造或修補(bǔ)現(xiàn)有OSDs。Kodama等（2010）報(bào)道了鋼筋混凝土在實(shí)際OSDs的應(yīng)用。Ya 、 Yamada （2008） 和 Xiao等（2008）表明，使用厚橋面板（16mm）能提高正交異性橋面板焊縫的疲勞耐久性。在日本更多關(guān)于OSDs的文獻(xiàn)資料可以在別處找到（Machida等2004年；Yamada 和 Ya 2008b）。

早些時候報(bào)道的底部焊接裂縫，即出現(xiàn)在底部通過焊縫傳播，進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究來加以證明（Maddox 1974a）。這些疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因是焊縫厚度不足。增加焊縫厚度可以防止這種裂紋的產(chǎn)生（（Maddox 1974a；Ya等2009）。

橋面頂部裂縫，從焊縫頂部產(chǎn)生然后傳播到橋面板，如圖1所示，至今在日本還沒有報(bào)道。然而，在足尺模型疲勞試驗(yàn)中就觀察到了這種現(xiàn)象（Mori等2006；Kawabata等2006）。在Lehigh大學(xué)進(jìn)行的一個足尺模型疲勞試驗(yàn)中，使用16mm厚的橋面板，報(bào)告顯示疲勞裂紋出現(xiàn)在焊縫底部（Tsakopoulos和Fisher2003）。最近Sim等（2009）進(jìn)行了16mm厚橋面板足尺模型疲勞試驗(yàn)。（2009年） 在加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）發(fā)現(xiàn)疲勞裂縫主要是在焊縫頂部，而不是與橋面板焊接的焊縫的底部。在小尺寸疲勞試驗(yàn)中，底部和頂部都出現(xiàn)裂縫（Maddox 1974b； Ya等2008）。在Yamada 和 Ya （2008a）的實(shí)驗(yàn)中，也有報(bào)道少許焊縫頂部裂縫，盡管在疲勞試驗(yàn)之前焊縫頂部大致被打磨過。

Sim等人的疲勞試驗(yàn)中（2009年），研究了焊接熔透（WMT）對正交異性橋面板焊縫疲勞強(qiáng)度的影響，由于只有少量測試數(shù)據(jù)所以沒有得到一個明確的結(jié)論。注意，WMT是電弧熔化，焊接材料進(jìn)入U肋內(nèi)部一種焊接狀態(tài)。當(dāng)制造一個薄的肋板（8mm厚）需要高熔透率的時候，在這個過程中可能會使用它。

研究的范圍和對象

本研究的對象是一個從Sim等人（2009）的疲勞試驗(yàn)中使用的足尺正交異性橋面模型上切割下來的寬300mm試件。疲勞試驗(yàn)?zāi)M橋面板的疲勞裂紋，通過應(yīng)用板彎曲應(yīng)力來觀察疲勞裂紋的擴(kuò)展行為和獲得S-N曲線測試結(jié)果，可能對疲勞壽命的評估有一定作用。還對小尺寸和足尺實(shí)驗(yàn)做了比較。

疲勞試驗(yàn)

正交異性橋面板焊縫平面彎曲疲勞試驗(yàn)的基本概念

有限元分析（FEA）表明，活載作用下橋面板彎曲應(yīng)力占主導(dǎo)地位。為了模擬橋面板的疲勞裂紋，循環(huán)彎曲應(yīng)力應(yīng)用到橋面板上，而U肋不受荷載，就像以前Yamada 、 Ya（2008A）和Ya等（2008年）那樣。當(dāng)循環(huán)彎曲應(yīng)力作用在橋面板上時，如果焊頸厚度與肋的厚度之比小于1.5，焊頸可能會發(fā)生疲勞破壞，破壞可能發(fā)生在肋邊的焊縫頂部。

試樣

如圖2所示的從以前在加州大學(xué)圣迭戈分校（Sim等，2009年）的疲勞試驗(yàn)中使用的三個足尺模型上切下的300mm寬的測試模型。

肋與板的焊接點(diǎn)切除位置遠(yuǎn)離加載位置，以避免受到以前加荷的影響。16mm厚橋面板的足尺模型長10m，寬3m，4根U肋厚8mm，3根橫梁。肋與橋面板的焊縫有3個焊接條件：（1）80% 焊縫熔透率（80%PJP）；（2）焊接熔透（WMT）的；（3）焊接條件l和2各使用1m，交替使用。焊接接頭使用埋弧焊焊接工藝 （SAW）。鋼材等級為美國ASTM A709 345。

足尺模型制作有預(yù)拱和沒有預(yù)拱兩種，但切割時選擇沒有預(yù)拱的模型。預(yù)拱是一種用于在制造OSDs時，減少重復(fù)熱量矯直橋面板的技術(shù)（Yanagihara等，2006）。

準(zhǔn)備二十有三個不同的細(xì)節(jié)試件：（a）8個80%PJP；（b）6個 WMT；（c）6個80%PJP& MWT，每各80%PJP和 WMT寬150mm，如圖3和表l所示。研究頂部和底部的開裂，試件又分為兩大系列各10個，即D16R8和 D16T8分別研究頂部和底部。表l給出了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。

然而，目測表明：八個80%PJP試件中的四個有一些WMT點(diǎn)。因此，80%PJP進(jìn)一步分為兩個亞組，即，（a1）80%PJP_P（不存在任何WMT），（a2）80PJP_W（存在一些WMT點(diǎn)）。WMT和80%PJP&WMT組發(fā)現(xiàn)焊縫外觀比較粗糙，如圖3（d）所示。

疲勞試驗(yàn)安裝和程序

疲勞試驗(yàn)在兩個振動疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行（Yamada等，2007），如圖4所示。通過內(nèi)部振動器偏心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生循環(huán)彎曲荷載作用到試件上。逆變器通過加載速度和施加的壓力范圍是變化來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。振動器只產(chǎn)生一個交變應(yīng)力，r=-1（r =應(yīng)力比）。由彈簧引起的靜力來調(diào)節(jié)應(yīng)力比。一個或多個動態(tài)應(yīng)變錄像機(jī)和一臺個人電腦是用來監(jiān)測整個疲勞試驗(yàn)應(yīng)變。

疲勞裝置如圖5所示，其中一個是用來模擬橋面板底部裂紋，其他的模擬橋面板頂部開裂。在每個測試裝置，固定端附近的應(yīng)力范圍是高于加載端。在這項(xiàng)研究中，應(yīng)力比R設(shè)置在0.2左右，加載速度約為20赫茲。

六單軸應(yīng)變計(jì)粘在橋面板上，離焊縫頂/底部5mm遠(yuǎn)，如圖2所示。有限元分析表明：測量點(diǎn)的應(yīng)變超出焊縫幾何形狀的影響。

對染料滲透劑（DP）和海灘標(biāo)志（BM）進(jìn)行了測試，以使裂紋的形狀和大小留在斷口，重要的是可以在以后獲得疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展行為。DP測試通過高度滲透的藍(lán)墨水在焊縫底部/頂部畫線，能在一個應(yīng)變計(jì)中觀察到應(yīng)力變化范圍小于5%的應(yīng)變。墨水在斷口上留下一個或多個標(biāo)志（即染料記號），這些記號可以再疲勞試驗(yàn)后可觀察到。BM測試在后期的裂紋擴(kuò)展施加壓力105周期后減少15%～30%的范圍內(nèi)進(jìn)行了一次或幾次。應(yīng)力范圍的減少導(dǎo)致了不同的裂紋擴(kuò)展速率，然后同心標(biāo)志（沙灘商標(biāo)）出現(xiàn)在斷口上。沙灘標(biāo)志測試周期的數(shù)字不包括在試件的疲勞壽命報(bào)告中。

直徑0.04mm的銅導(dǎo)線粘到試樣表面，用來檢測裂縫出現(xiàn)在橋面板的底部/頂部。銅導(dǎo)線連接到控制箱上，當(dāng)裂縫切斷他們時停止振動 。這個階段的周期被定義為試件的疲勞壽命。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞裂紋萌生/傳播行為

在D16R8系列10個試件均按計(jì)劃的從橋面板底部產(chǎn)生裂紋破壞。一個小的伴隨的橋面板頂部裂紋寬95mm，小于250mm寬的橋面板底部裂紋。因此，從底部破壞似乎是占主導(dǎo)地位。D16T8系列，是為了出現(xiàn)頂部開裂，10例均意外地從底部破壞，盡管焊縫頂部應(yīng)力水平比焊縫底部高出5%。其中有一個小的伴隨頂部開裂?；趦蓚€系列試驗(yàn)測試結(jié)果，得出在正交異性橋面板承受彎曲荷載，肋不承受荷載情況下，焊縫底部開裂超過頂部開裂。

Mori等（2006）的足尺疲勞試驗(yàn)在固定點(diǎn)加載和Kawabata等的動荷載作用下，橋面板厚12和14mm的OSD試件結(jié)果顯示了底部和頂部的疲勞裂紋。Kawabata等（2006）認(rèn)為，頂部開裂是由于荷載位置和未鋪砌的橋面板表面無負(fù)荷分布引起的。Sim等（2009）報(bào)道了底部和頂部裂縫，頂部開裂似乎占優(yōu)勢。請注意，他們的測試是在一個固定的加載點(diǎn)和鋪設(shè)了橋面板。

典型的微裂縫如圖6所示。疲勞裂紋的路徑幾乎是垂直于橋面板。對于WMT細(xì)節(jié)，焊接材料不完全融合，似乎有所重疊。疲勞裂紋的產(chǎn)生和傳播是在電熔焊金屬的底部，在圖6（b）和7所示。

如圖8和9所示，一個典型的WMT試件和80%PJP_P試件的疲勞斷口。觀察到小的半橢圓疲勞裂紋沿焊縫底部發(fā)展。有人提出，如果橋面板底部疲勞裂紋發(fā)生在正交異性橋面板肋板焊縫的位置，那么在車輪位置下的焊縫其他地方也可能有疲勞裂紋。

小疲勞裂紋萌生后，聯(lián)合起來，形成較大的裂縫，通過厚度和側(cè)面方向傳播。較大的裂縫形成半橢圓形狀。在最終的破壞中，裂紋深度達(dá)14～15mm，大約的橋面板厚度的90%。從焊縫底部開始，疲勞裂紋似乎已加入到一系列的橋面板上表面的小裂縫中，形成一個貫穿的厚度裂紋來切斷銅線。這種看法是類似于以前的12 和 14mm厚的橋面板疲勞試驗(yàn)（Yamada和Ya 2008a；Ya等2009），

Ono等人（2009年）做的12mm厚橋面板的足尺模型試驗(yàn)表明，橋面板底部裂紋到達(dá)橋面板可能需要一些時間，即使它最終也幾乎到達(dá)表面。Kawabata等人（2006年）做的12和14mm厚橋面板報(bào)告中沒有出現(xiàn)橋面板表面裂縫。Sim等人（2009）的16mm厚橋面板足尺模型試驗(yàn)也表明，疲勞裂紋似乎在橋面板厚度的一半左右時就被阻止了，他們并沒有出現(xiàn)在橋面板上表面。因此，足尺模型往往表明，一個較厚的橋面板可以阻止疲勞裂紋到達(dá)橋面板表面。

橋面板小尺寸試驗(yàn)?zāi)Ｐ推诹鸭y最終貫穿橋面板破壞，但他們不會發(fā)生在足尺試件中。差異的原因是清楚的，但有如下的建議。小尺寸模型試件試驗(yàn)脈動應(yīng)力狀態(tài)（0

80%PJP_W試件的斷裂面顯示三個染料標(biāo)記的位置。它們只存在于WMT點(diǎn)下面，如圖10所示。在WMT試件斷裂表面上同樣可以看出，如圖11所示，兩條疲勞裂紋似乎已經(jīng)愈合，每條裂縫的中心位于WMT點(diǎn)附近。圖12所示的是 80%PJP&WMT的試件的疲勞斷面， 觀察到WMT端最終的疲勞裂紋。從這些結(jié)果看出， WMT的存在可能會影響試件疲勞裂紋的萌生。因此，將疲勞試件重組（見表1）：80%PJP（不存在WMT點(diǎn)）正如（1）80%PJP，包含四個試件，其他是（2）WMT，包含16個試件。

80%PJP和WMT疲勞強(qiáng)度的比較

（1）80%PJP和（2）WMT的疲勞試驗(yàn)結(jié)果列在表2和圖13中。焊縫底部應(yīng)力幅從測得的應(yīng)力幅線性插值計(jì)算得到 ，如圖13所示。已經(jīng)定義的試樣的疲勞壽命是疲勞試驗(yàn)結(jié)束時的周期數(shù)量。AASHTO標(biāo)準(zhǔn)（2004年）疲勞設(shè)計(jì)曲線和日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會也繪制設(shè)計(jì)曲線（JSSC1995）以供參考。請注意，有八個AASHTO標(biāo)準(zhǔn)和JSSC規(guī)格設(shè)計(jì)曲線，但每個曲線在2×106周期和剪切限制下有不同的疲勞強(qiáng)度。

兩個試件進(jìn)行以2×107次循環(huán)測試，沒有任何疲勞開裂的跡象。染料標(biāo)記檢測用于每個疲勞試驗(yàn)結(jié)束時更高的應(yīng)力范圍前的試件破壞復(fù)檢。在疲勞斷裂面沒有觀察到染料標(biāo)記。這意味著在復(fù)檢之前不存在疲勞裂紋。在2×107周期時得到的數(shù)據(jù)被稱為“跳動”，不包括在回歸分析中。

如圖13，（1）80%的PJP數(shù)據(jù)略高于（2）WMT數(shù)據(jù)。設(shè)置S-N曲線的斜率為-3（設(shè)計(jì)S-N曲線的斜率），進(jìn)行回歸分析，平均S-N曲線和標(biāo)準(zhǔn)偏差也參看圖13。與平均回歸線相比，（1）80%PJP疲勞強(qiáng)度比（2）MWT略高，即在循環(huán)2 ×106次時數(shù)據(jù)為114MPa比111MPa。這一結(jié)果似乎與Mori（2003）單面焊接高熔深率試件疲勞強(qiáng)度往往比低熔深率小的結(jié)論一致。但是應(yīng)當(dāng)注意，（1）80%PJP的測試數(shù)據(jù)只有四個，疲勞試驗(yàn)結(jié)果固有的離散性是很大。兩組測試數(shù)據(jù)更可能在正常的離散中，因此，兩個細(xì)節(jié)似乎有可比的疲勞強(qiáng)度。請注意，Sim等（2009）也沒有對WMT對正交異性橋面板焊縫疲勞阻止的影響作出結(jié)論。

采取負(fù)斜率-3，對S-N曲線回歸分析，在循環(huán)2×106周期時疲勞強(qiáng)度分別為93和111MPa。 疲勞強(qiáng)度下限滿足 AASHTO規(guī)范的設(shè)計(jì)C類（循環(huán)2×106次時89MPa）或JSSC的E類（循環(huán)2×106次時80MPa）。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果適用性的討論

研究是基于焊縫底部承受彎曲應(yīng)力幅和肋不受荷載下的正交異性橋面板的S-N曲線。 為了保持一致性，定義疲勞強(qiáng)度對在相同荷載下焊縫疲勞壽命評估是有效的。

在一個帶U肋的正交異性鋼橋面下，應(yīng)力行為復(fù)雜，因?yàn)閁肋是封閉的所以焊縫底部應(yīng)力幅決定性因素難解。試圖證明疲勞試驗(yàn)結(jié)果在U肋疲勞壽命評估中的應(yīng)用，有如下步驟。 首先，彎曲應(yīng)力是在橋面板中（Ya 和 Yamada 2008年）占主導(dǎo)地位，彎曲應(yīng)力在疲勞試驗(yàn)中占主要部分是符合測試條件的 。 其次，當(dāng)肋壁承受彎曲應(yīng)力，破壞發(fā)生在焊縫頸部，而不是在橋面板上（Ya等2009）。 我們關(guān)心的是橋面板的疲勞裂紋。 因此，肋壁的彎曲似乎與橋面板開裂無關(guān)。第三， 對使用了27年的OSD橋梁進(jìn)行應(yīng)力測試， 該橋橋面板厚12mm， U肋厚8mm，調(diào)查肋壁力的作用下肋板焊縫疲勞壽命（Murai等2008）。 應(yīng)變片貼在肋板焊縫位置，如圖14所示。當(dāng)U肋在荷載作用想扭曲并表現(xiàn)成一個框架的狀態(tài)，彎矩可在交叉點(diǎn)平衡（即，Min+ Mout + Mr = 0）。 作為Mout和Mr可以從測量的應(yīng)變計(jì)算得到，Min可使用這個平衡方程計(jì)算，如圖 14所示的彎矩分布在彎曲的焊縫底部，Mroot，在交叉點(diǎn)比彎曲低，Mr，保守的，Min可用來計(jì)算疲勞壽命評估的應(yīng)力幅。這種疲勞壽命與通過離橋面板焊縫頂部5mm粘貼應(yīng)變計(jì)計(jì)算得到的疲勞壽命相比。 后者與不考慮肋壁受力情況時相同。 請注意，在日本應(yīng)變計(jì)往往粘在離焊縫頂部5mm 的地方。 Murai等人（2008年）發(fā)現(xiàn)，上述兩種情況在疲勞壽命上有約10%差別。 因此，雖然考慮到了肋壁的彎曲， 但是肋與橋面板焊縫疲勞壽命的預(yù)測會改變 10%，換句話說，U肋的受力會有一定的影響。 盡管在12mm厚的橋面板上觀察到這一結(jié)果，但可以認(rèn)為在16mm厚的橋面板上能與獲得類似的結(jié)果，因?yàn)檩^厚的橋面板比肋壁有更高剛度和承載力。然而，未來的研究可能需要解決這個問題。 前面所討論的應(yīng)用到評估U肋疲勞壽命中的三個論點(diǎn)表明 定義的疲勞強(qiáng)度可能用于U肋焊縫疲勞壽命的預(yù)測；橋面板破壞能被預(yù)測到，因?yàn)槔弑谒艿牧赡軙幸粋€相對較小的影響。 此外，應(yīng)變計(jì)也可用于應(yīng)變的測量，用于疲勞壽命評估就更簡單。這樣的做法可作為橋梁維修工程師的首選方法。

結(jié)論和討論

對從足尺模型上切下來的寬300mm的試件進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)結(jié)果歸納如下。

小尺寸試件焊接條件的觀察

三個焊接條件（80%PJP，MWT，80%PJP&MWT） 計(jì)劃采取類似于在足尺模型中SAW程序制作的肋與橋面板焊縫。 檢查切割下來的試件時發(fā)現(xiàn)一半80%PJP試件存在 WMT點(diǎn)（80%PJP_W）。 證明控制底部焊接條件似乎很困難。

觀察底部和頂部開裂的傾向性

底部疲勞開裂占主導(dǎo)地位，而不是在300mm寬橋面板試件承受循環(huán)彎曲應(yīng)力和U肋不受力試驗(yàn)中所觀察到的頂板開裂占主導(dǎo)的情況。然而，在16mm厚橋面板足尺模型試驗(yàn)中觀察到的主要是頂部開裂，而不是底部開裂（Simet等，2009年）。在日本， 12和14mm厚橋面板足尺模型疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明在底部和頂部都有開裂，但在日本一直沒有實(shí)際的12mm橋面板 OSDs頂部開裂的報(bào)告。

焊接熔透的影響

80%PJP_W，WMT，和80%PJP&WMT的破壞面表明，WMT可能會影響疲勞裂紋的萌生；因此，他們被分為一組，即（2）WMT在S-N曲線，（1）80%PJP（沒有任何存在 WMT）的似乎是比（2）WMT略高，但更可能是正常的離散疲勞試驗(yàn)結(jié)果造成的不同，因此，二者的疲勞強(qiáng)度應(yīng)具有可比性。

致謝

感謝Uang Chia-Ming教授、UCSD的Sim Hyoung-Bo先生以及名古屋大學(xué)的Hanji Takeshi博士，在將試件從UCSD切割和運(yùn)送到名古屋大學(xué)中的合作。 非常感謝Nippon鋼材名古屋廠和日本鋼鐵聯(lián)盟的財(cái)政支持。 第一作者感謝在名古屋大學(xué)學(xué)習(xí)期間日本政府提供的獎學(xué)金支持。