道路應(yīng)急搶通車轍式箱梁橋疲勞性能試驗研究

冀 超

(中交四公局第六工程有限公司，天津 301700)

1 車轍式箱式模塊介紹

自然災(zāi)害的頻發(fā)常引起交通中斷、人員傷亡。為快速恢復(fù)交通，國內(nèi)外開發(fā)了一些道路、橋梁應(yīng)急搶通裝備，這些搶通裝備通常具有通載能力強、有一定的裝配性能的特點，在自然災(zāi)害發(fā)生后可以發(fā)揮一定的作用；然而這類設(shè)備往往自重較大，架設(shè)難度高，機動性較差，需要在重量和機動性上改進(jìn)[1-3]。

一般情況下，第一波次通往災(zāi)區(qū)的往往是物資運輸車輛、救援裝備，荷載等級較低，因此設(shè)計了一種道路橋梁應(yīng)急搶通箱式模塊[4-6](如圖1所示)，它的特點是輕質(zhì)高強，具備很強的裝配互換性。通過連接器，模塊可以快速拼組如圖2所示的車轍式箱梁橋。應(yīng)急搶通橋梁與軍橋在設(shè)計原則和理念上均基本相同，使用的結(jié)構(gòu)形式也基本相同，以簡支為主，因此相關(guān)設(shè)計主要參照軍橋相關(guān)設(shè)計規(guī)程。

圖1 箱式模塊單箱總體結(jié)構(gòu) 圖2 20m車轍式箱梁橋架設(shè)示意

車轍式箱梁橋主體采用鋁合金材料，作為一種新型結(jié)構(gòu)橋梁，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁相比其靜動力特性存在較大差異。由于鋁合金材料與鋼相比，密度與彈性模量差別大，車轍式箱梁橋設(shè)計荷載大、結(jié)構(gòu)自重輕，其動力特性與傳統(tǒng)鋼橋必然存在一定差別。因此有必要針對車轍式箱梁橋結(jié)構(gòu)，解析在不同試驗階段的疲勞性能和工作狀態(tài)，以驗證結(jié)構(gòu)性能是否滿足設(shè)計要求。

2 疲勞試驗設(shè)計

試驗件為兩個足尺寸鋁合金箱室構(gòu)件，箱室間通過節(jié)點連接。為便于區(qū)分，將其編號為3、4號箱。試驗件如圖3所示，單箱加載過程如圖4所示。

圖3 試驗件實物 圖4 加載過程

2.1 荷載試驗譜

箱式模塊拼組車轍式箱梁橋作為應(yīng)急保障器材，單跨長度為20 m，根據(jù)《軍用橋梁設(shè)計載荷》(GJB435—88)中規(guī)定，對應(yīng)的車輛荷載等級為LT-15，在此荷載等級下車輛荷載為兩軸，軸距為4 m，單側(cè)前后軸重分別為25 kN、50 kN。由于單個箱式模塊長度為2 m，在實際應(yīng)用中不存在前輪與后輪同時作用在同一個箱式模塊上的情況，所以箱式模塊局部最大壓力為50 kN，考慮一定的富余量，將最大試驗荷載放寬至75 kN和100 kN。

在應(yīng)用中，疲勞荷載作用對象所受的是一種隨機的反復(fù)荷載，通常室內(nèi)模擬試驗可選用常幅譜、塊譜或隨機譜進(jìn)行模擬。本試驗選用同一常幅譜進(jìn)行試驗。

2.2 試驗工況

疲勞試驗加載方式采用應(yīng)力控制模式，波形采用正弦波加載，常幅譜如圖5所示。試驗采用兩種荷載譜，可定義為兩種工況。

工況一：取Smax為75 kN，Smin為7.5 kN，Sa為33.75 kN，平均荷載為41.25 kN，應(yīng)力比為0.1?？紤]實際循環(huán)次數(shù)與工作量情況，工況一條件下將分別在0-32萬次循環(huán)期間每隔2 500次進(jìn)行采集。選取0-1萬次、1萬次-2萬次、2萬次-4萬次、......30萬次-32萬次等階段第一個加載/卸載循環(huán)進(jìn)行示例分析，可作為數(shù)據(jù)分析一般流程參考。

工況二：取Smax為100 kN，Smin為10 kN，Sa為45 kN，平均荷載為55 kN，應(yīng)力比為0.1。

模型的荷載采用LT-15荷載的單側(cè)軸載進(jìn)行模擬。后軸軸載50 kN按照單箱模型分析得到的最不利加載位置(如圖6所示)布置在殼單元模擬的單箱正中，以均布荷載的形式布置。箱式模塊下部四角點支撐。在0-32萬次循環(huán)期間每隔2 500次進(jìn)行采集。同理，須對各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行篩析，選取各階段第一個加載/卸載循環(huán)進(jìn)行示例分析。

圖5 常幅譜 圖6 模型加載位置

2.3 試驗測試內(nèi)容

依據(jù)疲勞試驗設(shè)計方案要求，疲勞數(shù)據(jù)測試與采集共劃分為兩個部分，即液壓伺服靜力采集和疲勞滯回曲線實時捕捉。

(1)靜載試驗采集：當(dāng)疲勞加載次數(shù)達(dá)到1萬、2萬、4萬……32萬次時，進(jìn)行靜載試驗。靜載試驗的荷載等級按10%Smax分級，為了便于作動器精確控制荷載，本試驗統(tǒng)一取初始壓力為2 kN的狀態(tài)為荷載零點，逐級加載至Smax。

靜載時將所有應(yīng)變測點、位移計測點接?xùn)|華測試DH3816型靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，人工采集和記錄試驗所需參數(shù)。此時，所測數(shù)值即為試驗件測點處的實際應(yīng)變或位移，是一種直接測量方式，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但只能采集特定荷載分級下的數(shù)據(jù)。液壓伺服靜力采集數(shù)據(jù)為靜載試驗測試時FTS疲勞試驗作動器的實時荷載-位移數(shù)據(jù)，其可作為DH3816位移測試結(jié)果的補充數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步加強疲勞剛度退化數(shù)據(jù)模擬精確度。

(2)疲勞滯回曲線實時捕捉：疲勞循環(huán)過程中實時采集試驗件加載/卸載荷載-位移，即力循環(huán)往復(fù)作用下獲取結(jié)構(gòu)荷載-變形曲線，表征研究對象在疲勞加載時的變形、剛度衰減等信息。

2.4 試驗過程

每停機進(jìn)行靜載試驗時，均進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)變儀、作動器數(shù)據(jù)采集，每兩次靜載試驗之間間隔一定次數(shù)進(jìn)行疲勞滯回曲線實時采集。本試驗共進(jìn)行了32萬次疲勞循環(huán)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 疲勞滯回曲線

工況一條件下，考慮數(shù)據(jù)量基數(shù)較大，本報告僅就典型情況進(jìn)行示例解析，選取500次、80 000次、240 000次作為處理對象。取采集的試驗數(shù)據(jù)，篩析后擇取完整的加載/卸載循環(huán)，處理后的部分滯回曲線如圖7所示。

圖7 工況一滯回曲線

工況二條件下，由于數(shù)據(jù)量基數(shù)較大，僅就典型情況進(jìn)行示例解析，此處取2 500次、40 000次及80 000次進(jìn)行分析。取采集的試驗數(shù)據(jù)，篩析后擇取完整的加載/卸載循環(huán)，處理后的部分滯回曲線如圖8所示。

圖8 工況二滯回曲線

可以看出，不同加載次數(shù)的滯回曲線，均較為飽滿，呈現(xiàn)“梭形”，這說明構(gòu)件的塑性變形能力較強，具有很好的抗震性能和耗能能力。

3.2 靜載試驗

3.2.1 箱室外壁應(yīng)變測量

箱室每側(cè)布置3個測區(qū)，分別位于箱室兩端、箱室中間，每個測區(qū)均包括箱室外壁上側(cè)測點和下側(cè)測點。測點處經(jīng)過打磨去除表面油漆，粘貼航空用高精度電阻式應(yīng)變片，將應(yīng)變片接入靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試，測點布置及測點編號如圖9所示(圖中3-1表示箱室外壁上側(cè)測點，3-4表示箱室外壁下側(cè)測點)，共24個應(yīng)變片。部分測點如圖10所示。

圖9 箱室外壁應(yīng)變測點布置

圖10 試驗區(qū)內(nèi)側(cè)插銷處箱室外壁下側(cè)測點

限于篇幅，只列出工況二3號箱外壁部分具有代表性的測點數(shù)據(jù)(32萬次)，見表1。

表1 箱室外壁應(yīng)變

由測量數(shù)據(jù)可知，箱室外壁測點中對應(yīng)的最大拉、壓應(yīng)變分別是65、-186，箱板材料為6061-T6鋁合金，彈性模量E=72 GPa，泊松比為0.33，許用應(yīng)力為f0.2=245 MPa，計算可得，最大拉應(yīng)力為4.68 MPa，最大壓應(yīng)力為13.392 MPa，遠(yuǎn)低于材料強度值，因此在32萬次疲勞加載作用下，箱室外壁滿足強度要求，不會發(fā)生破壞。

3.2.2 箱室間插銷應(yīng)變測量

每個節(jié)點包含兩組插銷，每組插銷由3片叉耳組成，在每個插銷的每片叉耳上側(cè)粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片測點布置、節(jié)點插銷如圖11所示，共布置18個測點。

圖11 箱室間插銷應(yīng)變測點布置

測點選取說明：插銷采用了高強鋼，因此關(guān)注耳部破壞。箱式模塊采用的耳板選材、厚度、尺寸均經(jīng)過力學(xué)驗算，最不利處在孔壁內(nèi)側(cè)，且孔壁內(nèi)側(cè)承壓強度與其他部位的承壓強度相差很小，近似相等[6]。但就數(shù)據(jù)采集而言，內(nèi)壁粘貼應(yīng)變片及數(shù)據(jù)收集較為困難，因此將測點選擇在耳片部位。

限于篇幅，只列出工況二3號箱單雙耳部分具有代表性的測點數(shù)據(jù)(32萬次)，見表2。

由測量數(shù)據(jù)可知，耳部測點中對應(yīng)的最大拉、壓應(yīng)變分別是183、209，耳板材料為16Mn，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.30。厚度大于16 mm時，許用應(yīng)力取[σ]=258 MPa。計算可得，最大拉應(yīng)力為38.43 MPa，最大壓應(yīng)力為-43.89 MPa，遠(yuǎn)低于材料破壞應(yīng)力，因此在32萬次疲勞荷載作用下，耳部強度滿足使用要求。

箱式模塊橋主要用于應(yīng)急搶通和臨時性交通保障，因此對通行次數(shù)沒有嚴(yán)格要求，參考軍橋設(shè)計規(guī)范，達(dá)到5萬次可以滿足使用要求。而在本試驗的兩種工況下，作用到32萬次仍未發(fā)現(xiàn)異常情況，試驗件沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變形和位移等疲勞損傷，滿足設(shè)計預(yù)期。

4 結(jié)束語

試驗表明，不同加載次數(shù)的滯回曲線線形飽滿，呈梭形，表明箱式模塊的塑性變形能力較強。32萬次的疲勞加載仍具有良好的工作狀態(tài)，模塊沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變形和位移等疲勞損傷，表明箱式模塊的材料和結(jié)構(gòu)的疲勞性能良好，具有用于道路應(yīng)急搶通的可行性。