超聲波錘擊對鋼橋構造細節(jié)疲勞性能的影響

王 麗,趙欣欣

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

隨著我國客運專線鐵路建設的不斷發(fā)展，數座跨越長江、黃河的大跨度鐵路鋼橋相繼落成。這些橋梁大體可分為梁拱體系和梁索體系，當跨度<400 m時，結構形式以鋼桁拱橋為主，如南京大勝關長江大橋；當跨度>400 m時，結構形式以斜拉橋為主，如滬通鐵路長江大橋。主梁均采用2片或3片主桁的鋼桁梁結構。為滿足多線鐵路高速行車以及公鐵路合建的要求，新建大跨度鋼橋采用了大量的新材料、新構造和新工藝，在結構設計之初，其關鍵構造的疲勞性能就成為學界的研究熱點。對于有些在設計中疲勞強度較低但又無法避免的構造細節(jié)，采取超聲波錘擊的方法以改善疲勞性能成為大跨度鋼橋建設中首選方案。本文研究針對十字形熔透焊接構造(傳力型)和焊接蓋板構造2種新型構造細節(jié)，開展超聲波錘擊對其疲勞性能的影響試驗，為新建大跨度鋼橋新型構造細節(jié)的設計和施工提供依據。

1 國內外相關規(guī)范規(guī)定

1.1 十字形熔透焊接構造

歐洲規(guī)范Eurocode 3[1]中對于十字形熔透焊接構造(傳力型)分為多種不同板厚組合的情況。美國規(guī)范AREMA(2010)[2]中對十字形焊接構造的焊縫是否熔透未予區(qū)分，2種構造均采用同一等級的疲勞強度。我國TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》[3]中對十字形熔透焊接(傳力型)構造的疲勞強度未予規(guī)定。我國鐵運函[2004]120號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]與美國規(guī)范相同，對十字形焊接接頭是否熔透也未予區(qū)分，統(tǒng)一規(guī)定其200萬次疲勞強度為65 MPa。事實上這是不合理的，非熔透十字形焊接構造的疲勞強度較低，這一點已經在相關研究中予以驗證[5]，其試驗200萬次疲勞強度僅為50.8 MPa，用于設計時還需進行一定的折減。Eurocode 3中非熔透十字形焊接(傳力型)構造的200萬次疲勞強度僅為36 MPa。各國規(guī)范該類構造的S-N曲線見圖1。其中Eurocode 3中選擇80 MPa等級的同類構造進行比較，這是因為該等級是鋼橋構造中常見的尺寸。 AS 5100是澳大利亞橋梁設計規(guī)范[6]。

圖1 各國規(guī)范中十字形熔透焊接構造(傳力型)的S-N曲線

從圖1中可以看出：200萬次及以下疲勞強度最大的是AREMA，其次是Eurocode 3,AS 5100，我國橋檢規(guī)最小。AREMA未對200萬次以后的疲勞曲線予以規(guī)定，僅規(guī)定了超過200萬次后采用的截止限值，圖中按此處理。AS 5100對于長壽命周期的規(guī)定與Eurocode 3相同。我國設計規(guī)范中對于長壽命周期的疲勞強度未作規(guī)定，繪制本圖時參考Eurocode 3的規(guī)定執(zhí)行。AS 5100,Eurocode 3和我國規(guī)范的疲勞曲線規(guī)律相同。

1.2 焊接蓋板構造

Eurocode 3和AREMA對于焊接蓋板構造疲勞強度的規(guī)定依據不同的板厚組合分為不同的情況。各國規(guī)范中該類構造的S-N曲線見圖2。

圖2 各國規(guī)范中蓋板焊縫構造的S-N曲線

從圖2中可以看出：各國規(guī)范對于蓋板焊縫構造的疲勞強度規(guī)定相差較大，200萬次疲勞強度從36 MPa 變化至80 MPa，其中我國規(guī)范值明顯高于其他國家。

2 疲勞試件設計

在結構設計中，主桁節(jié)點作為鋼桁梁關鍵受力、傳力部位，受力較大且較為復雜，其上各種構造細節(jié)的疲勞性能需要予以特別關注[7]。以往的大跨度斜拉橋對于整體節(jié)點的處理方式是：節(jié)點板整體穿過弦桿頂(底)板，節(jié)點板與弦桿頂(底)板之間采用塞焊的方式，這種構造的疲勞性能在以往的疲勞試驗中已經得到驗證。近年來，產生了一種新型處理方法，即將節(jié)點板在下弦頂板部位斷開，通過熔透焊分別接于下弦頂板的上下兩側。Eurocode 3和AREMA中對該構造分別承受豎向力和縱向力時，不同板厚組合情況的疲勞強度進行了規(guī)定。我國規(guī)范TB 10002.2—2005中未對該類構造的疲勞強度進行規(guī)定。

對于跨度較大的斜拉橋結構體系，傳統(tǒng)的處理方式是斜拉索通過錨拉板在弦桿外部與弦桿相連。近年來由于有些橋梁受空間限制等，部分斜拉橋的斜拉索錨固于弦桿內部，在斜拉索穿出弦桿部位通過焊接蓋板對弦桿局部進行加強。Eurocode 3和AREMA分別對不同板厚組合下相似的該類構造細節(jié)的疲勞強度進行了規(guī)定，在數值上均小于我國規(guī)范。我國規(guī)范TB10002.2—2005中該構造的疲勞曲線是根據板梁在受彎狀態(tài)下的疲勞試驗制定的。該構造位于斜拉橋的弦桿上，承受著較大的全截面軸向拉應力，而一般來說，全截面受拉的疲勞性能比受彎的情況更為不利。

鑒于上述情況，設計了十字形熔透焊接試件(傳力型)和焊接蓋板試件，對其進行原試件和超聲波錘擊試件的疲勞試驗[8]。目的是：①掌握2種構造細節(jié)的疲勞性能，提出疲勞抗力設計指標；②掌握超聲波錘擊對于其疲勞性能的影響，為大跨度鋼橋的設計和施工提供依據。試件設計如圖3。

圖3 試件設計(單位：mm)

3 疲勞試驗

3.1 試驗概況

試驗在中國鐵道科學研究院高速鐵路軌道技術國家重點實驗室橋梁結構試驗室的日本鷺宮±2 000 kN 液壓伺服疲勞試驗機上進行。

由于試件均為焊接構造，疲勞僅與施加的荷載幅值有關，同時為使施加的荷載不引起加載設備反向，產生不必要的誤差，在本次疲勞試驗中各試件加載均采用拉-拉循環(huán)加載。發(fā)現裂紋后，定時記錄裂紋擴展情況和對應循環(huán)次數，繼續(xù)疲勞加載至試件斷裂[9]。最終記錄的應力循環(huán)次數以試件斷裂時的次數為準。統(tǒng)計分析的加載應力幅為試件的名義應力幅，依據試件破壞截面的公稱尺寸計算。

3.2 疲勞試驗結果及分析

3.2.1 十字形熔透焊接構造

對于十字形熔透焊接構造共進行了7個原試件、3個超聲波錘擊試件的疲勞試驗。試件均在受力板焊趾處斷裂，如圖4，典型斷口照片如圖5。錘擊與否對斷裂位置和斷口形式基本沒有影響。

圖4 試件斷裂位置圖5 試件斷口

2類試件疲勞試驗結果見圖6。圖中“超”表示試件經過超聲波錘擊。

圖6 十字形熔透焊接試件的疲勞試驗結果

對7個原試件的試驗數據進行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=12.301-3.005lgσ

(1)

式中：N為疲勞循環(huán)次數;σ為疲勞應力幅。式(1)中200萬次的疲勞應力幅為99.19 MPa。

對3個超聲波錘擊試件的試驗數據進行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=26.238-8.561lgσ

(2)

式(2)中200萬次的疲勞應力幅為213.19 MPa。

可以看出，對于十字形熔透焊接試件，超聲波錘擊后200萬次疲勞強度是原試件的2.1倍。同時與S-N曲線斜率相關的m值從3.005增加到了8.561，曲線的斜率明顯減小。該現象表明構造細節(jié)應力幅越小超聲波錘擊對其改善效果越明顯,構造細節(jié)應力幅越大超聲波錘擊對其改善效果越不明顯。對于本試件，當名義應力幅達到298.3 MPa、對應次數為 115 213 次時，超聲波錘擊對其疲勞性能沒有改善。

3.2.2 焊接蓋板構造

圖7 原試件斷裂位置

對于焊接蓋板構造共進行了6個原試件、3個超聲波錘擊試件的疲勞試驗。原試件均從橢圓形蓋板長軸端部焊趾處起裂，之后沿著焊趾發(fā)展到一定程度后，轉而沿著水平方向發(fā)展，直至斷裂，如圖7。超聲波錘擊后試件的斷裂位置較為離散，有的從試件中部位置處斷裂，有的從蓋板端部焊趾處斷裂，有的從夾持部位斷裂?？梢钥闯?，錘擊與否對該試件的斷裂位置有一定影響。

2類試件疲勞試驗結果見圖8。

圖8 焊接蓋板試件的疲勞試驗結果

對6個原試件的試驗數據進行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=12.695-3.441lgσ

(3)

式(3)中200萬次的疲勞應力幅為72.16 MPa。

對3個超聲波錘擊試件的試驗數據進行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=19.773-6.098lgσ

(4)

式(4)中200萬次的疲勞應力幅為161.94 MPa。

可以看出，對于焊接蓋板試件，其試驗200萬次疲勞強度介于我國橋檢規(guī)的上下限之間，與設計規(guī)范較為接近。按照一般設計疲勞強度的制定方法，在納入規(guī)范時應在試驗值的基礎上考慮不可預見的因素，將試驗值適當降低來作為設計疲勞強度?？傮w來說，該構造疲勞強度較低，建議進行超聲波錘擊。超聲波錘擊后200萬次疲勞強度是原試件的2.2倍。同時與S-N曲線斜率相關的m值從3.005增加到了6.098，曲線的斜率明顯減小。這一規(guī)律與十字形熔透焊接(傳力型)構造錘擊后的疲勞性能是相同的。對于本試件，當名義應力幅達到401.0 MPa、對應次數為 8 000 次時，超聲波錘擊對其疲勞性能沒有改善。

4 結論和建議

1)對十字形熔透焊接構造(傳力型)和焊接蓋板構造2種構造細節(jié)開展疲勞試驗，掌握了其疲勞破壞方式，制定了疲勞設計S-N曲線。對于焊接蓋板構造，綜合試驗結果和國內外規(guī)范，該構造疲勞強度相對偏低，因此建議對橢圓形蓋板長軸焊趾端部一定范圍內進行超聲波錘擊，以改善其疲勞性能。

2)超聲波錘擊對于構造細節(jié)的200萬次疲勞強度有較大程度的提高，2種構造細節(jié)在錘擊后疲勞強度為原試件的2倍以上；但是超聲波錘擊后S-N曲線斜率明顯減小，當應力幅越來越大時，超聲波錘擊對疲勞性能的改善越來越不明顯，即超聲波錘擊并不是在任何狀態(tài)下都能改善構造細節(jié)的疲勞性能。這與以往對于超聲波錘擊能夠改善疲勞性能的籠統(tǒng)認識是不同的。由這種趨勢可知，當外加應力幅增大到一定程度時，超聲波錘擊不會改善構造細節(jié)的疲勞性能。這一點在以往的研究中也得到過證實。

3)超聲波錘擊改善疲勞強度的原理是通過錘擊使焊接部位產生殘余壓應力，定性來說，當外加應力幅較小時，該部位仍處于受壓狀態(tài)，有效改善了其疲勞性能；當外加應力幅增大到一定程度時，克服了殘余壓應力，使該部位處于受拉狀態(tài)，因此疲勞性能改善不明顯。在今后的研究中，應對超聲波錘擊前后的殘余應力進行測試，以便定量地解釋這一現象，為制定合理的超聲波錘擊工藝提供依據。

[1]BS EN 1993-1-9:2005.Eurocode 3: Design of steel structures—Part 1-9：Fatigue[S].Brussels:CEN,2005.

[2]American Railway Engineering and Maintenance- of-Way Association(AREMA).Manual for Railway Engineering[S].AREMA:Landover,Md,2010.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2004.

[5]中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.重載鐵路線橋設備重點安全技術研究——京廣線既有鋼橋適應大軸重重載運輸的關鍵技術研究分報告之四：京廣線既有鋼橋疲勞評估技術研究[R].北京:中國鐵道科學研究院,2015.

[6]AS 51006—2004 Bridge Design Part 6：Steel and Composite Construction[S].Sydney:Standards Australia International Ltd.,2004.

[7]劉曉光.鐵路鋼橋疲勞研究進展[J].鐵道建筑，2015,55(10):19-25.

[8]何柏林，于影霞，余皇皇，等.超聲沖擊對轉向架焊接十字接頭表層組織及疲勞性能的影響[J].焊接學報，2013,34(8):51-54.

[9]薛志杰,蔣永升.大跨度鋼橋主桁箱形桿件疲勞性能分析[J].鐵道建筑，2013,53(4):6-8.