鋼橋面板U肋對接焊縫疲勞損傷特征分析

王益遜，朱　偉，2，徐　捷，孫　童，吉伯海（.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京20098；2.安徽省招標(biāo)集團(tuán)，合肥23005）

鋼橋面板U肋對接焊縫疲勞損傷特征分析

王益遜1，朱偉1，2，徐捷1，孫童1，吉伯海1
（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京210098；2.安徽省招標(biāo)集團(tuán)，合肥230051）

分別在大橋1/4跨截面快車道、慢車道U肋對接焊縫處布設(shè)測點(diǎn)，測量其應(yīng)變歷程曲線。對得到的應(yīng)變歷程曲線進(jìn)行濾波與去極值處理。通過雨流計(jì)數(shù)法，計(jì)算相應(yīng)的疲勞應(yīng)力譜；結(jié)合英國BS5400規(guī)范，分析實(shí)橋在每個應(yīng)力幅、應(yīng)力循環(huán)作用下U肋對接焊縫處的疲勞損傷度，從而得快、慢車道U肋對接焊縫疲勞壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：慢車道U肋對接焊縫的疲勞壽命小于快車道U肋對接焊縫的疲勞壽命，快車道U肋對接焊縫的疲勞壽命約為慢車道U肋對接焊縫疲勞壽命的1.5倍；相對于U肋底部焊縫兩側(cè)的部位，U肋底部焊縫中央的部位疲勞問題更加嚴(yán)重，需要給予更多的關(guān)注。

鋼橋面板；U肋對接焊縫；應(yīng)力幅；循環(huán)次數(shù)；疲勞壽命

正交異性鋼橋面板由橋面板、縱肋及橫肋焊接而成［1-3］，具有強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，因此成為大跨徑斜拉橋與懸索橋廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式［4-5］。由于正交異性鋼橋面板應(yīng)力影響線較短，縱肋、橫肋交叉多，焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中影響大，如果長期直接承受車輛荷載反復(fù)作用，容易在焊接連接處發(fā)生疲勞開裂［6-8］。U肋在橋面體系中是關(guān)鍵的受力部位，相當(dāng)于縱梁，如果發(fā)生疲勞失效，很可能會危及鋼橋結(jié)構(gòu)的整體安全，而U肋對接焊縫容易產(chǎn)生疲勞裂紋，因此U肋對接焊縫疲勞性能的研究亟待開展。

目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在大跨度橋梁上獲得廣泛應(yīng)用［9-12］，利用其對大橋進(jìn)行長期監(jiān)測，U肋對接焊縫疲勞損傷評估的精確性可進(jìn)一步提高。然而健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)代表橋梁整體運(yùn)營狀況，局部疲勞針對性不強(qiáng)，不能精確反映焊縫周邊應(yīng)力幅變化情況，因此，通過局部疲勞細(xì)節(jié)實(shí)測研究，可以較精確地獲得U肋對接焊縫處的疲勞損傷度。

本文采用局部細(xì)節(jié)測試法，基于實(shí)橋動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)，獲得某大橋一段時間內(nèi)正常交通情況下不同車道U肋對接焊縫處的應(yīng)變數(shù)據(jù)，利用雨流計(jì)數(shù)法研究不同車道該細(xì)節(jié)的應(yīng)力譜變化規(guī)律，分析損傷較大的應(yīng)力幅，結(jié)合英國BS5400規(guī)范計(jì)算各車道U肋對接焊縫處的疲勞損傷度，分析快、慢車道U肋對接焊縫疲勞壽命。

1　疲勞應(yīng)力監(jiān)測

1.1測點(diǎn)布置

根據(jù)國內(nèi)專家對正交異性鋼橋面板疲勞損傷研究得到的成果［13-16］，以及監(jiān)測得到的國內(nèi)某座懸索橋近幾年疲勞裂紋分布，將高靈敏度應(yīng)變片布置于鋼橋面板U肋對接焊縫處，獲得一個循環(huán)周期的應(yīng)變歷程曲線。橋梁主梁位移響應(yīng)表明，主梁的豎向位移峰值出現(xiàn)在1/4跨截面處；該橋疲勞裂紋檢測結(jié)果亦表明，1/4跨截面處的疲勞裂紋所占比例較高，且不同車道范圍內(nèi)疲勞裂紋分布差異較大。結(jié)合以上兩方面內(nèi)容，分別選擇1/4跨截面的慢車道、快車道作為測試部位，如圖1，2所示。

圖1　測點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution of measuring points

圖2　1/4跨測試部位示意圖Fig.2 Measuring position of 1/4 span

在車輛疲勞荷載作用下，通常U肋底部承受較大的彎曲應(yīng)力。因此，在橋跨1/4截面處，分別對位于快車道和慢車道產(chǎn)生較多裂紋的兩個U肋進(jìn)行動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測，每個U肋設(shè)置6個測點(diǎn)，測點(diǎn)分布于U肋底部焊縫兩側(cè)，具體布置如圖3所示。

圖3　測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Layout of measuring points

1.2監(jiān)測方法

在大橋正常通車運(yùn)營情況下，使用智能信號采集儀對各測點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)24 h的動態(tài)應(yīng)變采集，采樣頻率為50 Hz?，F(xiàn)場操作主要包括測點(diǎn)布置、打磨、貼片、補(bǔ)償、調(diào)試、測試等6個階段。

在試驗(yàn)過程中，風(fēng)荷載、溫度荷載以及各種電磁波的干擾會對實(shí)測數(shù)據(jù)造成一定誤差［17-19］。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用MATLAB編程對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，減少各環(huán)境因素產(chǎn)生的影響，從而提取出能代表U肋對接焊縫僅在交通荷載作用下的應(yīng)變歷程曲線。電磁波干擾引起的信號劇烈震蕩可能會導(dǎo)致過大的應(yīng)力；隨機(jī)車輛通過橋梁結(jié)構(gòu)時，產(chǎn)生了逐漸衰減的高階振動或低階回彈振動，可能會導(dǎo)致過小的應(yīng)力。在處理過程中，保留隨機(jī)車輛荷載通過橋梁結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的主要應(yīng)力幅，并剔除應(yīng)力過大與過小的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

1.3應(yīng)變歷程分析

因?yàn)槿諔?yīng)變歷程數(shù)據(jù)量過大，取其典型時間段對實(shí)橋應(yīng)變歷程曲線進(jìn)行疲勞應(yīng)力分析。圖4為T1測點(diǎn)以及T9測點(diǎn)同一時段的60 min應(yīng)變歷程曲線。

由圖4可知，慢車道測點(diǎn)T9和快車道測點(diǎn)T1最大拉應(yīng)變與最大壓應(yīng)變均小于150×10-6，快車道的應(yīng)變峰值主要集中在-50×10-6～25×10-6之間，慢車道的應(yīng)變峰值主要集中在-25×10-6～25×10-6之間。此外，由圖4還可知，慢車道T9測點(diǎn)的應(yīng)變波峰數(shù)遠(yuǎn)多于快車道T1測點(diǎn)，這是由于在慢車道行駛的車輛以多軸車居多，而多軸車會使焊縫處產(chǎn)生多個應(yīng)變峰值。

圖4　部分測點(diǎn)60 min應(yīng)變歷程曲線Fig.4 Strain time history curve of some points in 60 min

將日應(yīng)變歷程曲線換算成日應(yīng)力歷程曲線，分析知：慢車道U肋對接焊縫處的應(yīng)力值基本小于40 MPa，瞬時應(yīng)力最大峰值可達(dá)70 MPa；快車道U肋對接焊縫處應(yīng)力值基本小于37 MPa，瞬時應(yīng)力最大峰值可達(dá)60 MPa；快車道應(yīng)力水平低于慢車道。綜合應(yīng)變波峰數(shù)與應(yīng)力水平兩種因素可知，慢車道疲勞損傷比快車道疲勞損傷更嚴(yán)重。此外，根據(jù)英國BS5400規(guī)范，U肋對接焊縫的疲勞強(qiáng)度為25 MPa，而快、慢車道的應(yīng)力最大峰值均超過了該疲勞極限，故U肋對接焊縫極易發(fā)生疲勞失效。

2　不同車道的應(yīng)力譜分析

2.1快車道應(yīng)力譜分析

由于應(yīng)變歷程曲線只能看到某一時段內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時間的變化趨勢，無法獲得各級應(yīng)力幅所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，不利于分析各級應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的貢獻(xiàn)。故采用雨流計(jì)數(shù)法［20-21］進(jìn)行各級應(yīng)力幅所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)。計(jì)算中，先確定應(yīng)力幅的跨越等級，再將不同跨越等級應(yīng)力幅所對應(yīng)的循環(huán)數(shù)進(jìn)行合并，最后形成應(yīng)力幅—循環(huán)次數(shù)曲線，即疲勞應(yīng)力譜。本文所確定應(yīng)力幅的跨越等級為1.0 MPa。循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則：若某一應(yīng)力幅對應(yīng)的循環(huán)為全循環(huán)，則循環(huán)次數(shù)取值為1，若該應(yīng)力幅對應(yīng)的循環(huán)為半循環(huán)，則循環(huán)次數(shù)取值為0.5。此外，根據(jù)文獻(xiàn)［22］，低于疲勞截止限的應(yīng)力循環(huán)對疲勞壽命的計(jì)算基本沒有影響，由此得出該細(xì)節(jié)的疲勞截止限為10.25 MPa。為提高數(shù)據(jù)處理效率，兼顧計(jì)算精度，忽略低于2.0 MPa的應(yīng)力循環(huán)對疲勞壽命計(jì)算的影響，即不考慮低于2.0 MPa的應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)引起的疲勞損傷。各測點(diǎn)應(yīng)力譜如圖5所示。

圖5　實(shí)測快車道應(yīng)力譜Fig.5 Measured stress spectrum of fast lane

由圖5快車道U肋對接焊縫處的疲勞應(yīng)力譜可知：隨著應(yīng)力幅的增加，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)呈單調(diào)遞減的變化趨勢；0～25 MPa范圍內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)占總應(yīng)力循環(huán)的91%～93%，因此快車道疲勞損傷累計(jì)主要以低于疲勞極限值的低應(yīng)力循環(huán)為主；快車道的最大應(yīng)力幅為70 MPa，超過了英國BS5400規(guī)范中該細(xì)節(jié)疲勞損傷極限值的2.8倍，因此，隨著車輛荷載的循環(huán)累積作用，該車道U肋對接焊縫可能發(fā)生疲勞破壞。

為研究快車道U肋對接焊縫疲勞細(xì)節(jié)各應(yīng)力幅以及對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)不同應(yīng)力幅之間的相互關(guān)系，采用式（1）計(jì)算不同應(yīng)力幅的應(yīng)力循環(huán)下降率。計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖6　快車道應(yīng)力循環(huán)下降率Fig.6 Decreasement rate of stress cycles of fast lane

式中：Δσi-1，Δσi為應(yīng)力幅；Ni-1，Ni為各應(yīng)力幅對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；kΔσ為應(yīng)力循環(huán)下降率。

由圖6可知：隨著應(yīng)力幅的增加，U肋對接焊縫處的應(yīng)力循環(huán)下降率先急劇增加然后趨于平緩；0～10 MPa應(yīng)力幅范圍的應(yīng)力循環(huán)下降最快，35 MPa應(yīng)力幅之后應(yīng)力循環(huán)下降率基本保持不變。這主要是由于軸載經(jīng)過橋面板時，雖然產(chǎn)生了較大的應(yīng)力循環(huán)，但同時又引起了若干個小應(yīng)力循環(huán)，所以10 MPa內(nèi)的應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)明顯多于其他應(yīng)力幅，導(dǎo)致10 MPa內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)下降率波動較大；高于35 MPa的應(yīng)力幅所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)的數(shù)量級差別不大，所以應(yīng)力循環(huán)下降率趨于平穩(wěn)。

2.2慢車道應(yīng)力譜分析

慢車道各測點(diǎn)應(yīng)力譜如圖7。由圖7可知，慢車道U肋對接焊縫處應(yīng)力譜與快車道變化規(guī)律基本一致，規(guī)律總結(jié)如下：隨著應(yīng)力幅的增加，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)呈單調(diào)遞減的變化趨勢；0～25 MPa范圍內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)占總應(yīng)力循環(huán)的92%～96%，其疲勞損傷累計(jì)主要以低于疲勞極限值的低應(yīng)力循環(huán)為主，且相對于快車道而言，慢車道的這種現(xiàn)象更為明顯；同一應(yīng)力幅值條件下慢車道應(yīng)力循環(huán)次數(shù)明顯高于快車道，其中以2～3 MPa應(yīng)力幅最為明顯，快車道應(yīng)力循環(huán)次數(shù)最低僅為慢車道的0.77%；慢車道的最大應(yīng)力幅為110 MPa，超過了英國BS5400規(guī)范中該細(xì)節(jié)疲勞損傷極限值的4.4倍，隨著車輛荷載的循環(huán)累積作用，該車道U肋對接焊縫極易發(fā)生疲勞破壞，這主要是由于通過慢車道的車輛，往往以重型車為主，其具有較大的輪載，車輪作用于橋面時，不僅會引起較大的應(yīng)力幅，也會導(dǎo)致更多的應(yīng)力循環(huán)，因而相應(yīng)的損傷效應(yīng)也會成倍增加。

圖7　實(shí)測慢車道應(yīng)力譜Fig.7 Measured stress spectrum of slow lane

為研究慢車道U肋對接焊縫各應(yīng)力幅以及對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)式（1）計(jì)算不同應(yīng)力幅的應(yīng)力循環(huán)下降率，結(jié)果如圖8。由圖8可知：快車道與慢車道應(yīng)力循環(huán)下降率變化規(guī)律基本一致，隨著應(yīng)力幅的增加，U肋對接焊縫處的應(yīng)力循環(huán)下降率先急劇增加然后趨于平緩并最終穩(wěn)定；0～10 MPa應(yīng)力幅范圍的應(yīng)力循環(huán)下降最快，25 MPa應(yīng)力幅之后應(yīng)力循環(huán)下降率基本保持不變，這主要是由于慢車道軸載經(jīng)過橋面板時，除了一個較大的應(yīng)力循環(huán)，同時還引起了若干個小應(yīng)力循環(huán)，導(dǎo)致10 MPa內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)下降率波動較大；高于25 MPa的應(yīng)力幅所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)的數(shù)量級差別不大，應(yīng)力循環(huán)下降率趨于平穩(wěn)。

圖8　慢車道應(yīng)力循環(huán)下降率Fig.8 Decreasement rate of stress cycles of slow lane

3　疲勞損傷度分析

隨機(jī)車輛行駛過程中，不同大小的應(yīng)力幅對疲勞損傷累計(jì)的貢獻(xiàn)不同。研究表明，較大的應(yīng)力幅會引起較大的疲勞損傷。但實(shí)橋監(jiān)測結(jié)果顯示：鋼橋面板每天所承受的應(yīng)力循環(huán)總是由一些大小不一的應(yīng)力幅組成，較小的應(yīng)力幅雖然單次循環(huán)對鋼橋面板疲勞損傷貢獻(xiàn)較小，但其循環(huán)次數(shù)較多；較大應(yīng)力幅雖然單次循環(huán)對鋼橋面板疲勞損傷貢獻(xiàn)較大，但其循環(huán)次數(shù)較少。因此，無法直接確定哪種應(yīng)力幅所引起的損傷最大。由于疲勞壽命往往取決于損傷較大的應(yīng)力幅，因此需要分析出哪種應(yīng)力幅在總體疲勞損傷中占主導(dǎo)作用。

根據(jù)應(yīng)力譜統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合英國BS5400規(guī)范計(jì)算實(shí)橋每個應(yīng)力幅、應(yīng)力循環(huán)作用下U肋對接焊縫處的疲勞損傷度，計(jì)算損傷度分布曲線，結(jié)果如圖9所示。

圖9　損傷度分布曲線Fig.9 Distribution curve of damage degree

由圖9中各應(yīng)力幅、應(yīng)力循環(huán)作用下U肋對接焊縫處的損傷度計(jì)算結(jié)果，U肋對接焊縫處損傷度分布規(guī)律如下：損傷度先隨著應(yīng)力幅的增加而迅速單調(diào)增加，當(dāng)應(yīng)力幅為25～35 MPa時，損傷度達(dá)到最大值；繼續(xù)增加應(yīng)力幅，損傷度逐漸下降，并趨于穩(wěn)定。由此，實(shí)測U肋對接焊縫疲勞損傷占主導(dǎo)作用的應(yīng)力幅為25～35 MPa。這主要是由于前期應(yīng)力幅（＜25 MPa）循環(huán)次數(shù)雖然很多，但對疲勞損傷的貢獻(xiàn)很小，而后期各應(yīng)力幅（＞35 MPa）的損傷值較大，但能夠達(dá)到該水平的應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)亦很少。

4　不同車道疲勞壽命計(jì)算

根據(jù)各測點(diǎn)的疲勞損傷度，基于Miner線性累積損傷理論計(jì)算不同車道U肋對接焊縫各測點(diǎn)的疲勞壽命，結(jié)果如表1所示。

表1　各測點(diǎn)的疲勞壽命Tab.1 Fatigue life of each measurement point

由表1可知，慢車道U肋對接焊縫的疲勞壽命小于快車道U肋對接焊縫的疲勞壽命，快車道U肋對接焊縫的疲勞壽命約為慢車道U肋對接焊縫疲勞壽命的1.5倍。此外，測點(diǎn)T2、T8的疲勞壽命均小于其他各測點(diǎn)的疲勞壽命，表明相對于U肋底部焊縫兩側(cè)的部位，U肋底部焊縫中央的部位疲勞問題更加嚴(yán)重。

5　結(jié)　論

1）實(shí)測應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明，慢車道的應(yīng)變波峰數(shù)多于快車道，且慢車道應(yīng)力水平亦高于快車道，因此慢車道疲勞損傷比快車道疲勞損傷更嚴(yán)重。此外，快、慢車道的應(yīng)力最大峰值均超過了U肋對接焊縫的疲勞強(qiáng)度值，故該細(xì)節(jié)處易發(fā)生疲勞失效。

2）隨著應(yīng)力幅的增加，快、慢車道的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)均呈單調(diào)遞減的變化趨勢，快車道0～25 MPa范圍內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)占總應(yīng)力循環(huán)的91%～93%，慢車道0～25 MPa范圍內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)占總應(yīng)力循環(huán)的92%～96%，因此快、慢車道疲勞損傷累計(jì)主要為低于疲勞極限值的低應(yīng)力循環(huán)。

3）對比快、慢車道各測點(diǎn)的疲勞壽命可知，慢車道U肋對接焊縫的疲勞壽命小于快車道U肋對接焊縫的疲勞壽命，快車道U肋對接焊縫的疲勞壽命約為慢車道U肋對接焊縫疲勞壽命的1.5倍。此外，相對于U肋底部焊縫兩側(cè)的部位，U肋底部焊縫中央的部位疲勞問題更加嚴(yán)重應(yīng)給予更多的關(guān)注。

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責(zé)任編輯：丁吉海

Analysis of the Fatigue Damage Behavior of U-rib Butt Welds of the Steel Bridge Deck

WANG Yixun1，ZHU Wei1，2，XU Jie1，SUN Tong1，JI Bohai1
（1.College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Anhui Tendering Group Inc，Hefei 230051，China）

The high sensitivity strain gauges were laid on the U-rib butt welds of fast lane and slow lane in a quarter-span of a bridge to measure the strain time curves.The curves were filterred and extremum were wiped off to obtain the real strain time curves of steel box girder under the vehicle loading.The corresponding fatigue stress spectrums were drawn with the rain flow method.Fatigue damage degree of U-rib butt welds under each stress ampiltude and cycle was analyzed，and its fating lifes of fast and slow lane were obtained，combining with British BS5400 specification.The result shows that the fatigue service life of U-rib butt weld of slow lane is smaller than that of fast lane，the latter is 1.5 times of the former.In addition，compared with the position of both sides of U-rib weld bottom，the position of center of U-rib weld bottom is more serious and need more attention.

steel bridge deck；U-rib butt weld；stress amplitude；cycle index；fatigue life

TG405

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.012

1671-7872（2016）02-0154-06

2016-02-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478163）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20120094110009）；江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014Y02）

王益遜（1994-），男，江蘇泰州人，碩士生，研究方向?yàn)殇摌蚱谂c維護(hù)。

吉伯海（1966-），男，江蘇揚(yáng)州人，教授，研究方向?yàn)殇摌蚱谂c維護(hù)。