加載波形對(duì)鋼橋典型構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的影響

王 麗，張玉玲，張 雯，榮 嶠，田 越

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

加載波形對(duì)鋼橋典型構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的影響

王 麗1，2，張玉玲1，2，張 雯1，2，榮 嶠1，2，田 越1，2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

對(duì)既有鐵路鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行梳理分析，選擇十字形焊接接頭、蓋板端焊縫、U肋縱向角焊縫等典型的構(gòu)造細(xì)節(jié)，研究其在不同加載波形條件下的疲勞性能。首先，根據(jù)三種典型構(gòu)造細(xì)節(jié)在實(shí)橋中的受力特征和實(shí)驗(yàn)室加載條件，設(shè)計(jì)能夠反映實(shí)橋受力特征的試件，建立有限元模型，驗(yàn)證試件設(shè)計(jì)的合理性，掌握試件的應(yīng)力分布狀態(tài)和應(yīng)力集中程度。然后，開(kāi)展矩形波和正弦波加載條件下三種典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)。最后，對(duì)三種典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，掌握了加載波形對(duì)于構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的影響程度，可為我國(guó)鐵路鋼橋的設(shè)計(jì)和評(píng)估提供依據(jù)。

鋼橋 構(gòu)造細(xì)節(jié) 疲勞性能 矩形波 正弦波

一般的疲勞試驗(yàn)機(jī)加載波形為正弦波。在橋梁工程領(lǐng)域，實(shí)際列車經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)所產(chǎn)生的荷載波形是不規(guī)則的，應(yīng)力幅值也是隨著車型和載重的變化而變化，對(duì)于鋼桁梁的不同桿件其加載方式也不相同，并不能完全用正弦波來(lái)代替?；诖耍x擇實(shí)橋中典型構(gòu)造細(xì)節(jié)，開(kāi)展正弦波、矩形波加載條件下的疲勞試驗(yàn)，以掌握加載波形對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的影響，為鋼橋的設(shè)計(jì)和評(píng)估提供依據(jù)。

1 鐵路鋼橋典型構(gòu)造細(xì)節(jié)分析

目前我國(guó)既有鋼橋主要包括5種橋型:①上承式焊接板梁;②箱型鋼板梁;③下承式栓焊鋼板梁;④下承式栓焊鋼桁梁;⑤鉚接橋。所涉及的橋面系包括:①縱橫梁明橋面系;②鋼箱梁橋面;③正交異性鋼橋面板。構(gòu)造細(xì)節(jié)有7種:①不等厚對(duì)接焊構(gòu)造;②蓋板端焊縫構(gòu)造;③縱向角焊縫構(gòu)造;④十字形焊接接頭構(gòu)造(傳力和不傳力);⑤高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)造;⑥鉚接構(gòu)造;⑦正交異性鋼橋面板構(gòu)造。典型構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度見(jiàn)表1［1-2］。

從表1中可以看出，蓋板端焊縫構(gòu)造和十字形焊接接頭構(gòu)造的疲勞強(qiáng)度與其它構(gòu)造相比偏低，在實(shí)際工程中出現(xiàn)裂紋也較多。此外，正交異性鋼橋面板構(gòu)造也是出現(xiàn)疲勞裂紋較多的構(gòu)造之一。

表1 既有鋼橋典型構(gòu)造細(xì)節(jié)

2 典型構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞試件的設(shè)計(jì)及受力特征分析

選擇十字形焊接接頭(不傳力)構(gòu)造、蓋板端焊縫構(gòu)造和正交異性鋼橋面板構(gòu)造，開(kāi)展矩形波和正弦波加載條件下的疲勞性能試驗(yàn)研究。

2.1 試件設(shè)計(jì)

三種試件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，采用Q345qD鋼板，制造工藝與實(shí)橋相同，采用CO2氣體保護(hù)焊。

2.2 受力特征分析

為了掌握試件的應(yīng)力分布狀況，采用ANSYS建立有限元模型，選擇Solid95三維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，單元

尺寸控制在2.5 mm左右。計(jì)算時(shí)，三種試件施加的外力均為拉力，十字形焊接接頭、蓋板端焊縫試件、U肋縱向角焊縫試件拉力分別為200，150，40 kN。試件具體約束、單元?jiǎng)澐趾蛻?yīng)力分布情況見(jiàn)圖2—圖4。

圖1 試件(單位:mm)

從圖2(b)可以看出，十字形焊接接頭試件角焊縫附近區(qū)域應(yīng)力最大為274.9 MPa，發(fā)生在附連件與主板焊縫焊趾處，該處名義應(yīng)力為178.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.540。從圖3(b)可以看出，試件從夾持部位向焊趾部位應(yīng)力逐漸增大，到焊趾端部達(dá)到最大，為320.8 MPa，該處名義應(yīng)力為178.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.796。從圖4(b)和圖4(c)可以看出，U肋從底部焊趾處向頂部應(yīng)力逐漸減小，到U肋頂部由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力為280.6 MPa，發(fā)生在U肋焊趾處，該處平均應(yīng)力為132.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.116，面板在U肋內(nèi)側(cè)受彎，內(nèi)表面受拉，外表面受

壓，最大應(yīng)力為162.7 MPa，發(fā)生在焊趾處。

圖2 十字形焊接接頭試件(單位:MPa)

圖3 蓋板端焊縫試件(單位:MPa)

圖4 U肋縱向角焊縫試件(單位:MPa)

3 加載波形對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的影響研究

3.1 疲勞試驗(yàn)基本情況

三種典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)，均在高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。其中，十字形焊接接頭試件和蓋板端焊縫試件均在±500 kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在保證達(dá)到最佳加載波形的前提下，將加載力斜向上升的時(shí)間盡量縮短，使其最大程度上接近于矩形波，疲勞試驗(yàn)最小控制噸位取5 kN，進(jìn)行拉—拉循環(huán)加載，以試件發(fā)生疲勞斷裂作為失效判據(jù)［3-5］，試驗(yàn)加載波形如圖5所示。

圖5 ±500 kN液壓伺服機(jī)加載波形示意

U肋縱向角焊縫構(gòu)造的疲勞試驗(yàn)在 ±200 kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為拉—壓循環(huán)，應(yīng)力比為－1，加載波形見(jiàn)圖6。可以看出，±200 kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)基本可以實(shí)現(xiàn)矩形波加載，但是在最大、最小值持續(xù)時(shí)間內(nèi)會(huì)有小幅的波動(dòng)。

圖6 ±200 kN液壓伺服機(jī)加載波形示意

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

1)十字形焊接接頭構(gòu)造

對(duì)十字形焊接接頭構(gòu)造完成了5根試件的矩形波加載試驗(yàn)和5根試件的正弦波加載試驗(yàn)［6］，疲勞試件典型斷口見(jiàn)圖7。

圖7 十字形焊接接頭構(gòu)造疲勞試件典型斷口

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到了矩形波加載條件下十字形焊接接頭構(gòu)造疲勞試驗(yàn)的S－N曲線方程為

式中:N為循環(huán)次數(shù)，Δσ為應(yīng)力幅，σ0為試驗(yàn)得到的疲勞強(qiáng)度。

正弦波加載條件下十字形焊接接頭構(gòu)造疲勞試驗(yàn)的S－N曲線方程為

規(guī)范中規(guī)定十字形焊接接頭構(gòu)造疲勞試驗(yàn)S－N曲線方程為

試件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及規(guī)范規(guī)定S－N曲線見(jiàn)圖8。

圖8 十字形焊接接頭試件試驗(yàn)S－N曲線

2)蓋板端焊縫構(gòu)造

對(duì)蓋板端焊縫構(gòu)造共進(jìn)行了6根試件的矩形波加載試驗(yàn)和5根試件的正弦波加載試驗(yàn)。疲勞試件典型斷口見(jiàn)圖9。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到了矩形波加載條件下蓋板端焊縫構(gòu)造的S－N曲線方程為

正弦波加載條件下蓋板端焊縫構(gòu)造的S－N曲線

圖9 蓋板端焊縫構(gòu)造疲勞試件典型斷口

方程為

規(guī)范中規(guī)定蓋板端焊縫構(gòu)造的S－N曲線方程為

試件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及規(guī)范規(guī)定S－N曲線見(jiàn)圖10。

圖10 蓋板端焊縫試件試驗(yàn)S－N曲線

3)U肋縱向角焊縫構(gòu)造

對(duì)U肋縱向角焊縫構(gòu)造共進(jìn)行了3根試件的矩形波加載試驗(yàn)和4根試件的正弦波加載試驗(yàn)，試件典型斷口照片見(jiàn)圖11。

圖11 U肋縱向角焊縫構(gòu)造疲勞試件斷口特征

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到了矩形波加載條件下U肋縱向角焊縫構(gòu)造疲勞試驗(yàn)的S－N曲線

方程為

正弦波加載條件下U肋縱向角焊縫構(gòu)造疲勞試驗(yàn)的S－N曲線方程為

試件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖12。

圖12 U肋縱向角焊縫試件試驗(yàn)S－N曲線

3.3 加載波形對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的影響分析

從破壞特征、疲勞強(qiáng)度等方面對(duì)不同加載波形條件下構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞特點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn):

1)加載波形對(duì)于試件破壞特征沒(méi)有明顯影響。十字形焊接接頭試件均從角焊縫焊趾處有焊接缺陷的地方起裂，起裂之后沿著主板板寬和板厚方向擴(kuò)展，直至發(fā)生疲勞破壞。蓋板端焊縫試件均從蓋板焊縫焊趾中部起裂，起裂之后沿著主板板寬和板厚方向擴(kuò)展，直至發(fā)生疲勞破壞。U肋縱向角焊縫試件矩形波加載條件下均從U肋焊趾處發(fā)生斷裂，正弦波加載條件下從U肋焊趾處斷裂與從面板焊趾處斷裂的概率相當(dāng)。

2)從加載波形對(duì)于宏觀斷口特征的影響來(lái)看，在同樣應(yīng)力幅值下，矩形波加載條件下應(yīng)力循環(huán)次數(shù)少，所以斷口平滑區(qū)域一般大于正弦波加載。

3)從循環(huán)破壞次數(shù)來(lái)看，同一應(yīng)力幅值作用下矩形波的次數(shù)小于正弦波的次數(shù)，不同構(gòu)造兩者的比值有所不同。

4)從200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度來(lái)看，矩形波加載試件的疲勞強(qiáng)度小于正弦波加載，二者的比值十字形焊接接頭為0.737，蓋板端焊縫構(gòu)造為0.972，U肋縱向角焊縫為0.341。

5)十字形焊接接頭試件矩形波加載的疲勞強(qiáng)度比規(guī)范值低約6%;蓋板端焊縫試件的疲勞強(qiáng)度均大于規(guī)范值。當(dāng)加載波形接近于矩形波時(shí)，十字形焊接接頭構(gòu)造采用規(guī)范值進(jìn)行設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足疲勞強(qiáng)度安全性要求;蓋板端焊縫構(gòu)造采用規(guī)范值進(jìn)行設(shè)計(jì)仍可

滿足疲勞強(qiáng)度安全性要求。

4 結(jié)論

對(duì)十字形焊接接頭(不傳力)、蓋板端焊縫和U肋縱向角焊縫三種構(gòu)造，開(kāi)展了矩形波和正弦波加載條件下的疲勞試驗(yàn)。結(jié)論如下:

1)矩形波作用下試件的200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度較正弦波有所降低，不同的構(gòu)造降低的幅度并不相同。對(duì)本文所涉及的三種構(gòu)造細(xì)節(jié)，矩形波的疲勞強(qiáng)度約為正弦波的0.341～0.972。

2)加載波形對(duì)于疲勞強(qiáng)度較高的構(gòu)造細(xì)節(jié)的影響較大，在矩形波加載條件下疲勞強(qiáng)度大的構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度降低幅度大，而疲勞強(qiáng)度相對(duì)較小的構(gòu)造細(xì)節(jié)降低幅度相對(duì)較小。

3)在鋼橋中直接承受輪載的構(gòu)造或者個(gè)別其他構(gòu)造出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致局部剛度增大，使受力波形接近于矩形波時(shí)，應(yīng)根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行折減，以保證其疲勞可靠性。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］ 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［3］霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］張玉玲.大型鐵路焊接鋼橋疲勞斷裂性能與安全設(shè)計(jì)［D］.北京:清華大學(xué)，2004.

［5］王麗，張玉玲.隨機(jī)變幅疲勞荷載作用下鋼橋節(jié)點(diǎn)板交叉焊縫疲勞性能試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013(11):1-4.

［6］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.新型主桁結(jié)構(gòu)特殊構(gòu)造抗疲勞性能與試驗(yàn)研究［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2012.

Influence of loading waveform on fatigue behavior of typical structural details of steel bridge

WANG Li1，2，ZHANG Yuling1，2，ZHANG Wen1，2，RONG Qiao1，2，TIAN Yue1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

T he details of welds in the existing steel railway bridges were summaried.T hree typical welds including cross shaped weld，flat end weld and longitudinal fillet weld on U rib.T he fatigue behavior under different loading waveforms were stuied.First of all，test specimens were designed based on the stress status of the three welds in bridges and the loading conditions in laboratory.T he finite element model was established to validate the rationality of design and grasp the stress distribution and concentration.Next，the fatigue tests under the rectangular wave and sine wave loading condition were carried out on the three types of welds.Finally，the fatigue test results were analyzed，the loading waveform effects on fatigue behavior of three details were grasped.T he results may provide the basis for the design and evaluation of China's railway steel bridge.

Steel bridge;Structural detail;Fatigue behavior;Rectangular wave;Sine wave

U441+.4;U448.36

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.01

1003-1995(2015)09-0001-05

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-04-12;

:2015-05-12

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G001-A-1)

王麗(1981— )，女，山西寧武人，助理研究員，碩士。