腐蝕環(huán)境下節(jié)段式鋼箱梁疲勞試驗方案研究*

韓曉東，張 劍，洪 濤，高巖淵，艾 軍，葉見曙

(1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；2.江蘇省鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.江蘇廣靖錫澄高速公路有限責(zé)任公司，江蘇 無錫 214191；4.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096)

腐蝕環(huán)境下節(jié)段式鋼箱梁疲勞試驗方案研究*

韓曉東1，張 劍1，洪 濤2，高巖淵3，艾 軍1，葉見曙4

(1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；2.江蘇省鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.江蘇廣靖錫澄高速公路有限責(zé)任公司，江蘇 無錫 214191；4.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096)

提出了一種在腐蝕環(huán)境下研究節(jié)段式鋼箱梁的疲勞試驗方案。該方案便于測出試件在特定次數(shù)下的應(yīng)變，通過分析計算應(yīng)變可得到在特定次數(shù)下的殘余應(yīng)變，根據(jù)殘余應(yīng)變可以分析這些試件在腐蝕環(huán)境下的疲勞損傷累積規(guī)律。

鋼箱梁；腐蝕；疲勞；試驗方案

鋼箱梁也稱鋼板箱形梁，一般由頂板、底板、腹板、橫隔板、縱隔板和加勁肋等通過全焊接的方式連接而成。使用鋼箱梁作為橋梁主要承載構(gòu)件可以追溯到二戰(zhàn)后的德國，為了恢復(fù)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)需要，德國修建和重建了大量橋梁，為了解決鋼材十分短缺這一難題，德國開始憑借其高強(qiáng)度鋼材及高超的焊接技術(shù)，設(shè)計出了一種新式橋梁承載結(jié)構(gòu)，即鋼箱梁[1]。隨后，鋼箱梁的優(yōu)點逐漸被各國工程師們發(fā)現(xiàn)，并廣泛地應(yīng)用到本國橋梁建設(shè)中。我國從1978年開始建設(shè)了大量斜拉橋、大跨徑鋼拱橋及懸索橋，隨著時間的流逝，鋼橋結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕疲勞破壞而造成的事故時有發(fā)生，如在2001年11月7日清晨,我國宜賓金沙江橋的4對短吊桿由于腐蝕疲勞突然斷裂,局部橋面墜落江中，而該橋僅僅使用了11年[2]。

在鋼橋運(yùn)營階段，鋼橋結(jié)構(gòu)不僅要承受人群和車輛等的荷載，還要受到周邊環(huán)境如海洋、大氣、冰鹽等的化學(xué)腐蝕。自20世紀(jì)70年代起，歐洲和日本等國先后對鋼橋的鋼箱梁展開疲勞性能等方面的研究[3-5]；但是在研究過程中沒有考慮到外界環(huán)境對鋼箱梁的影響，只是針對鋼箱梁易破壞的幾個部位進(jìn)行了研究。我國學(xué)者也逐漸開始對鋼箱梁各種構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了相關(guān)研究；但是依然沒有考慮到外界環(huán)境對鋼箱梁的影響，如曾志斌[6]總結(jié)了導(dǎo)致正交異性鋼橋面板疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，一個是由主應(yīng)力引起的，另一個是由面變形引起的。中國鐵道科學(xué)研究院的趙欣欣[7]通過實橋靜、動力試驗及足尺模型靜載試驗，研究了正交異性鋼橋面板的受力特性。童樂為等[8]對1跨40 m箱梁橋的鋼橋面板在1輛3軸重型貨車作用下的應(yīng)力狀況，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗和理論分析，結(jié)果表明，鋼橋面板的疲勞驗算可不考慮多車效應(yīng)。

隨著時代的發(fā)展，重載車輛不斷增加，車流量也在加大，再加上鋼橋所處的高腐蝕環(huán)境，使得鋼橋在服役不到10年的時間里就發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。疲勞或腐蝕均會造成橋梁的累計損失，使橋梁的耐久壽命大大減少，因此研究腐蝕對橋梁鋼箱梁的疲勞性能影響具有重大的工程意義和現(xiàn)實意義。基于上述情況，本文設(shè)計了一種考慮鋼橋運(yùn)營環(huán)境的對節(jié)段式鋼箱梁疲勞試驗方案。

1 試件設(shè)計

根據(jù)江陰大橋的節(jié)段式鋼箱梁，設(shè)計出節(jié)段式鋼箱梁試件的形狀和尺寸(見圖1)。試件為由頂板和U型縱肋焊接而成的結(jié)構(gòu)，其中，試件材料為Q345b鋼，焊接材料為E50型焊條。

圖1 節(jié)段式鋼箱梁試件尺寸

試件的涂裝方案為：節(jié)段式鋼箱梁U形肋外部噴涂硅酸鋅車間底漆15 μm，環(huán)氧云母氧化鐵中間漆150 μm，環(huán)氧面漆100 μm，共3道；U肋內(nèi)部只噴涂硅酸鋅車間底漆15 μm，共1道；鋼箱梁橋面行車道處噴涂硅酸鋅車間底漆15 μm，環(huán)氧富鋅底漆75 μm，高固體份厚漿型環(huán)氧瀝青面漆250 μm，共3道。

本試驗主要用來測試縱肋和橋面板間坡口焊的疲勞強(qiáng)度，因此，縱肋與面板均粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片的粘貼位置取在離坡口焊焊根15 mm處[9]，在沿縱肋方向粘貼4組，應(yīng)變片沿縱向為30、90、150和210 mm處粘貼，每個試件粘貼24個應(yīng)變片，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變傳感器的布置設(shè)計圖

2 試驗裝置及測試內(nèi)容

本次試驗是在土木結(jié)構(gòu)實驗室的FTS多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)疲勞試驗機(jī)上完成的，主要測試的內(nèi)容如下。

1)試件的應(yīng)變。通過測試試件各個測點的應(yīng)變片讀數(shù)，得到試件在各級荷載水平下測點的應(yīng)力分布情況，以及在循環(huán)加載下各測點的應(yīng)力幅大小?；趹?yīng)變片讀數(shù)，可以判斷出試件在腐蝕環(huán)境下發(fā)生疲勞破壞的危險點；基于應(yīng)變片讀數(shù)變化情況，有助于判斷裂紋產(chǎn)生的位置；基于統(tǒng)計整個過程中應(yīng)變片讀數(shù)可以得到試件在腐蝕環(huán)境下的疲勞損傷演化規(guī)律。

2)試件的撓度。通過觀察FTS多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)軟件中的荷載撓度變化，有助于判斷裂紋產(chǎn)生的時刻以及試件破壞的時刻。

3 試驗方案設(shè)計

3.1 腐蝕試驗

試驗預(yù)設(shè)計加工4個試驗件，編號為SJ1～SJ4。試驗研究的是鋼箱梁在腐蝕環(huán)境下的疲勞性能，而鋼箱梁的接觸腐蝕介質(zhì)是大氣；因此，鋼箱梁腐蝕主要為大氣腐蝕，即由于空氣中的水分、氧氣和腐蝕介質(zhì)共同作用引起的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)。通常情況下，把大氣腐蝕環(huán)境分為鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣和海洋大氣等，相對于其他大氣環(huán)境，海洋大氣通常有高度的腐蝕性，具有比普通大氣濕度大、鹽分高、溫度高及干和濕循環(huán)明顯等特點。本文將選取海洋大氣作為試驗的腐蝕環(huán)境，但考慮到實驗室現(xiàn)有設(shè)備及項目資金的因素，采用類似于海洋大氣環(huán)境的腐蝕溶液浸泡試驗的方法來模擬海洋大氣腐蝕試件。設(shè)計單一變量的腐蝕溶液可以直觀地看出腐蝕環(huán)境對試件的影響；因此，設(shè)計了濃度為1%、3%和5%的NaCl腐蝕液對試件進(jìn)行腐蝕，目的是探討在不同濃度的腐蝕液下試件的疲勞損傷演化規(guī)律。

3.2 疲勞試驗

試驗試件為SJ1，采用正弦波常幅加載，加載上、下限分別為25和5 kN，加載頻率為3 Hz。具體的試驗過程如下。

1)預(yù)加載。將試件SJ1兩端鉸支，中間單點加載，作動器與試件蓋板之間放置面積為300 mm×200 mm的1塊鋼板和1塊橡膠板，用以模擬均布作用的車輪荷載。荷載作用中心落在試件整個蓋板的中心位置，在正式試驗前對試件施加10 kN的力，共進(jìn)行3次預(yù)加載，以消除鋼板、橡膠板與試件之間的接觸松動及接觸不良。

2)第1次靜載。分5級加載至疲勞荷載上限(25 kN)，即0、5、10、15、20和25 kN時，每級荷載下等待一段時間，待應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，然后卸載到0。

3)動載。第1次靜載試驗完成后，將疲勞機(jī)設(shè)置為動態(tài)加載，反復(fù)調(diào)節(jié)，保持加載荷載穩(wěn)定。當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)N分別達(dá)到1、2、4和8萬次時停機(jī)，再分5級加載至疲勞荷載上限(25 kN)，記錄在各級荷載下各應(yīng)變片的讀數(shù)，然后卸載到0繼續(xù)加動載。

4)試驗結(jié)束。當(dāng)試驗機(jī)位置超限時，停止試驗，記錄承受循環(huán)荷載的次數(shù)及疲勞破壞特征。

3.3 腐蝕疲勞試驗

試驗試件為SJ2，加載條件同SJ1。具體的試驗過程如下。

1)第1次腐蝕試驗。在正式加載前，首先對試件SJ2進(jìn)行腐蝕試驗。腐蝕過程為把SJ2放在1%NaCL腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，每5 h為1個循環(huán)(試樣浸入溶液時間為30 min)，每天3次循環(huán)，24 h為1個周期，晚上暴露在空氣中。試驗干濕循環(huán)時刻見表1。腐蝕15 d后取出晾干，再進(jìn)行疲勞試驗。

2)第1次疲勞試驗。試件SJ2晾干后，將其兩端鉸支，進(jìn)行與SJ1相同的預(yù)加載和第1次靜載試驗。第1次靜載試驗完成后，將疲勞機(jī)設(shè)置為動態(tài)加載，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)N分別達(dá)到1、2、4和8萬次時停機(jī)，再分5級加載至疲勞荷載上限(25 kN)，記錄在各級荷載下各應(yīng)變片的讀數(shù)，然后卸載到0繼續(xù)加載。

表1 試驗干濕循環(huán)時刻表

3)第2次腐蝕試驗。記錄完8萬次時的應(yīng)變片讀數(shù)后，將SJ2從疲勞試驗機(jī)上取下，對試件SJ2進(jìn)行第2次腐蝕，腐蝕過程同前，腐蝕時間為15 d。

4)第2次疲勞試驗。將SJ2安裝到疲勞試驗機(jī)上預(yù)加載后，加靜載測試此時試驗的狀態(tài)，完成后將疲勞機(jī)設(shè)置為動態(tài)加載。當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)N分別達(dá)到12、16、22和28萬次時停機(jī)，再分5級加載至疲勞荷載上限(25 kN)，記錄在各級荷載下各應(yīng)變片的讀數(shù)，然后卸載到0繼續(xù)加載。

5)第3次腐蝕試驗。記錄完28萬次時的應(yīng)變片讀數(shù)后，將SJ2從疲勞試驗機(jī)上取下，對試件SJ2進(jìn)行第3次腐蝕，腐蝕過程同前，腐蝕時間為15天。

6)第3次疲勞試驗。將SJ2安裝到疲勞試驗機(jī)上預(yù)加載后，加靜載測試此時試驗的狀態(tài)，完成后將疲勞機(jī)設(shè)置為動態(tài)加載。當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)N分別達(dá)到34和42萬次時，先停機(jī)，再分5級加載至疲勞荷載上限(25 kN)，記錄在各級荷載下各應(yīng)變片的讀數(shù)，然后卸載到0繼續(xù)加載。

7)試驗結(jié)束。每測4次靜載數(shù)據(jù)進(jìn)行一次腐蝕，當(dāng)試驗機(jī)位置超限時，停止試驗，記錄承受循環(huán)荷載的次數(shù)及疲勞破壞特征。

試件SJ3與試件SJ4的試驗過程同試件SJ2，不同的是試件SJ3浸泡在3%NaCl腐蝕液中，試件SJ4浸泡在5%NaCl腐蝕液中。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重，加上重載車輛的增加及車流量的加大，使得鋼橋在服役很短的時間內(nèi)就會發(fā)生裂紋等安全隱患；因此，研究腐蝕環(huán)境對鋼橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響是有必要的。本文提出了一種在腐蝕環(huán)境下研究節(jié)段式鋼箱梁的疲勞試驗方案,該方案便于測出試件在特定次數(shù)下的應(yīng)變，通過分析計算應(yīng)變可得到在特定次數(shù)下的殘余應(yīng)變，根據(jù)殘余應(yīng)變可以分析這些試件在腐蝕環(huán)境下的疲勞損傷累積規(guī)律。

[1] 錢冬生.從正交異性板和箱形結(jié)構(gòu)運(yùn)用于橋梁的歷史來領(lǐng)略橋梁的科技發(fā)展和創(chuàng)新[D].廣州：廣州大學(xué), 2007.

[2] 錢冬生.科學(xué)地對待橋渡和橋梁[M]. 北京:中國鐵道出版社,2003.

[3] 費(fèi)爾希.鋼橋的疲勞與斷裂實例研究[M].北京:中國鐵道出版社，1989.

[4] 錢冬生.鋼橋疲勞設(shè)計[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，1986.

[5] 格爾內(nèi).焊接結(jié)構(gòu)的疲勞[M].周殿群,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[6] 曾志斌.正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋分類及其原因分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2011(2):9-15, 26.

[7] 趙欣欣.正交異性鋼橋面板疲勞設(shè)計參數(shù)和構(gòu)造細(xì)節(jié)研究[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院,2011.

[8] 童樂為.正交異性橋面板的疲勞研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),1995.

[9] 錢冬生.關(guān)于正交異性鋼橋面板的疲勞[J].橋梁建設(shè),1996(2)：9-11.

*國家自然科學(xué)基金資助項目(11232007)

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20130787)

浙江省水利廳科技資助項目(RC1445)

南京航空航天大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金資助項目(NS2014003)

責(zé)任編輯李思文

FatigueTestDesignSchemeofSectionalSteelBoxGirderinCorrosiveEnvironment

HAN Xiaodong1, ZHANG Jian1, HONG Tao2, GAO Yanyuan3, AI Jun1, YE Jianshu4

(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2.Jiangsu Province Zhenjiang City Engineering Survey and Design Institute, Zhenjiang 212003, China;3.Jiangsu Guangjingxicheng Highway Co., Ltd.,Wuxi 214191, China; 4.Southeast University, Nanjing 210096, China)

The paper put forward a corrosive environment research sectional steel box girder of the fatigue test. The test is easy to measure the strain under a specific number, the residual strain can be obtained through the analysis of the strain, according to the residual strain, fatigue accumulative damage rule can be analyzed in corrosive environments.

steel box girder, corrosion, fatigue, test scheme

U 441

：A

韓曉東(1989-)，男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計等方面的研究。

2014-07-29