鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向載荷應力試驗研究

曹武雷CAO Wu-lei；李震LI Zhen；朱帥ZHU Shuai

（中國建筑第七工程局有限公司，洛陽 471000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計能夠提高橋梁自身的承載能力，同時還可減輕橋梁自重和施工復雜性。但受到車輛超載、自然環(huán)境以及交通事故等因素影響，鋼結(jié)構(gòu)橋梁會出現(xiàn)一定程度橫向載荷應力下降的情況，影響橋梁使用壽命和階段性的結(jié)構(gòu)牢固性。對此，為進一步掌握鋼結(jié)構(gòu)橋梁橫向載荷應力的影響因素，提高橋梁的使用性能，將以設(shè)計試驗的方式對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進行載荷應力變化實驗，以明確各影響因素對橋梁穩(wěn)定性的作用強度。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞設(shè)計

1.1 安全壽命設(shè)計法 常見的鋼結(jié)構(gòu)橋梁安全壽命設(shè)計方法是指設(shè)計會在一定年限內(nèi)不會出現(xiàn)疲勞破壞等問題，因此其構(gòu)件的應力值通常會低于疲勞極限值，該方法能夠有效提升鋼結(jié)構(gòu)的應力與疲勞壽命[1]。安全壽命設(shè)計法屬于一種有限設(shè)計，一般情況下對應構(gòu)件應力的設(shè)計值需要遠高于疲勞極限值，其疲勞壽命曲線變化呈先穩(wěn)定下降后保持不變形態(tài)，在穩(wěn)定下降部分能夠得出，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)疲勞壽命屬于隨時間變化而變化的，即整體會隨著橋梁投入使用年限的增加而不斷下降，因此在對安全壽命設(shè)計法設(shè)計橋梁進行抗疲勞研究中，應當對相應其最高應力極值進行科學的計算，并引入累積損傷理論估算出受外界因素影響下的疲勞損傷值[2]。該設(shè)計方法需要保障其設(shè)計滿足如下條件，即必須掌握疲勞強度變化曲線和是否達到鋼結(jié)構(gòu)橋梁基本的疲勞定義與等級條件。

1.2 損傷容限設(shè)計法 損傷容限設(shè)計法是基于斷裂力學而提出的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計方法。損傷容限設(shè)計法需要先對橋梁構(gòu)件中存在的初始裂紋進行假設(shè)，并引入斷裂學的相關(guān)理論對其進行計算，然后將對應的裂紋鎖定為橢圓形的表現(xiàn)形式，再將結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)等變應力因素對裂紋影響變化進行進一步拓展[3]，其中拓展速率可參照下式進行計算，即

在明確需要使用的評估結(jié)構(gòu)剩余壽命的試驗之后，可通過上述方法進行鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)裂縫可在設(shè)計期限下不出現(xiàn)進一步擴展，從而方便后續(xù)對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進行裂縫構(gòu)件的安全性評估，該方法在評價年代久遠的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性中具有較高的應用效果。此外，還需要助于在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的預檢期間應當注意漏檢因素對整體評估的影響，即橋梁內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫問題對整個評估指標的影響。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞設(shè)計的關(guān)鍵點

2.1 確定疲勞荷載 鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計不同于鐵路橋梁的抗疲勞設(shè)計，用于公路交通的鋼結(jié)構(gòu)橋梁受車輛荷載變化影響所產(chǎn)生的形變程度相對較大，因此對應的鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化幅度同樣較大。受到車型與車輛間距等因素的差異性影響，其公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計應當明確疲勞荷載峰值，即可借助計算標準交通狀態(tài)下橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷情況進行等效折算，從而設(shè)定出在假設(shè)條件下鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞荷載值。針對鋼結(jié)構(gòu)橋梁線長度的局部計算，可結(jié)合標準軸重荷載的方式進行計算，即使用1.1 倍假設(shè)疲勞車軸的重荷載當做標準的軸重荷載。

2.2 精確驗算位置 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞驗算活動中，應當對其鋼結(jié)構(gòu)驗算位置進行精確，從而使得出數(shù)據(jù)能夠直接反映出區(qū)域下鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。常見鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的驗算關(guān)鍵位置可分為橋梁桿結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)疲勞敏感處預計鋼結(jié)構(gòu)細節(jié)等部位，驗算時除需要注意驗算各個鋼結(jié)構(gòu)焊縫趾和小節(jié)點區(qū)域之外，還需要注意對剪開變、倒角、焊趾以及焊接縫跟部等部位的核驗計算，從而保障抗疲勞設(shè)計中驗算結(jié)果的準確性。

2.3 明確加載次數(shù) 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計應當針對性計算區(qū)域的疲勞應力，明確鋼結(jié)構(gòu)的額定疲勞車影響線長度、疲勞車軸距以及一次加載次數(shù)等指標間的關(guān)系。同時，還需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的材料性質(zhì)與構(gòu)件性能，引入效應相等理念作為判斷原則，將復雜環(huán)境下應力循環(huán)通過單個具有差異化的循環(huán)代數(shù)進行表示，其中試驗環(huán)境下一個軸重皆可視為一次加載。

2.4 確保鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足規(guī)定 為保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量達到相關(guān)標準，需要結(jié)合項目施工要求以及相關(guān)設(shè)計工作經(jīng)驗進行架構(gòu)設(shè)計，并使鋼結(jié)構(gòu)橋梁整體滿足以下幾點設(shè)計規(guī)范與要求：第一，應當針對鋼結(jié)構(gòu)拉伸件與受力彎曲鋼構(gòu)件等常用鋼結(jié)構(gòu)橋梁組成構(gòu)件進行科學化設(shè)計，即設(shè)計應當結(jié)合橋梁使用標準，選擇具有一定弧度且長過渡性的鋼結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)橋梁剛度的弱化。第二，設(shè)計階段應當借助線對接焊縫進行科學的選用，并且需要對鋼結(jié)構(gòu)件焊接后進行處理。第三，應當強化復雜設(shè)計區(qū)和應力變化復雜區(qū)域下的疲勞驗算計算。第四，應當對鋼結(jié)構(gòu)框架涉及疲勞的關(guān)鍵點進行區(qū)分，從而精細化鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，以提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的整體疲勞強度。

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料的制作過程 鋼結(jié)構(gòu)橋梁屬于一種空間結(jié)構(gòu)框架設(shè)計，應當在設(shè)計中對豎向、橫向以及縱向等三方向及延伸域施加的荷載力作用進行考慮。在本文的研究中，將融合上述鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計，重點對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載力變化進行分析，即重點對橋梁上方重量、自然力和橋梁離心力對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞影響進行研究。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載直接施加在縱梁上，通過縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計將施加力分配至各個承力點位。結(jié)合橋梁節(jié)點的特征和現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計圖紙，全面考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁斷裂模擬試驗環(huán)境下，試驗受到儀器和反力架系統(tǒng)等因素的限制，結(jié)合微縮模型尺寸的方式完成模擬試驗下疲勞斷裂的相關(guān)研究，從而在保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁仿真性的同時降低試驗成本。試驗設(shè)定試樣尺寸數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 試樣尺寸

因需要對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載進行考慮，因此本文所提試驗中將選用十字型截面鋼結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)樣本，十字型截面鋼結(jié)構(gòu)試件的組成成分與力學性能數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 試件性能

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載受力點與橋梁鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，選擇3 處橋梁節(jié)點部分作為試驗分析點位。實驗點設(shè)計涵蓋橋梁節(jié)點板與弦桿的焊接區(qū)域、棱角與弦桿的焊接區(qū)域以及梁板厚度。將上述點位設(shè)計進行編號，分別為1、2 和3。其3 個點位的焊接工藝數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 焊接工藝

為保障試驗結(jié)果的精準性，應當在此次實驗之前對上述測點進行一次靜應力預測試，從而判斷出測點處是否存在荷載偏移，并比對測試數(shù)據(jù)與點位實際數(shù)據(jù)。若應力測試的數(shù)據(jù)結(jié)果與測試數(shù)據(jù)完全一致，則使用上述設(shè)計測點進行模擬實驗，若不同則需要從新設(shè)計測點并進行測點的應力預測試。

3.2 實驗設(shè)備 為確保本次試驗過程具有高度可控性，因此本文將模擬實驗設(shè)置在大型結(jié)構(gòu)實驗室中進行，使用電液伺服疲勞試驗機當做本次仿真模擬實驗的主要設(shè)備。為較為完整的模擬出鋼結(jié)構(gòu)橋梁實際橫向應變力變化情況，其設(shè)備的選用原則應當考慮是否小于橫向荷載噸位或等于鋼結(jié)構(gòu)橋梁最大噸位的80%，由此可保障其反力架系統(tǒng)的運行安全性。將上述所提試件應用到模擬試驗中，并將試驗設(shè)備的初始加載頻率調(diào)整為1.0～10.0Hz。因需要保障整體試驗過程中可以擁有較為穩(wěn)定且持續(xù)的受力變化，需要使用正弦波應力循環(huán)系統(tǒng)完成此次試驗。另外，還需要結(jié)合試驗主設(shè)備的設(shè)定情況，調(diào)整試驗加載系統(tǒng)、附屬設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、缺陷檢測設(shè)備以及安全防護設(shè)備等，以期起到提高試驗結(jié)果科學性與有效性的目的。

3.3 試驗方案設(shè)計 通過文獻查閱的方式證明橋梁鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的疲勞損傷斷裂與焊接區(qū)域受力變化存在直接關(guān)系。因此，在本次試驗中不對其他應力變化對試驗橋梁鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進行考慮，僅對試驗鋼結(jié)構(gòu)橋梁進行橫向荷載的研究。分析試件循環(huán)測試次數(shù)與測點應力變化關(guān)系，并探究其抗疲勞的變化曲線，從而得到鋼結(jié)構(gòu)橋梁試件的S-N 曲線，由此判斷其斷裂條件。本次試驗方案的總規(guī)劃情況如表4 所示。

表4 實驗方案總體規(guī)劃

以上述所提方法完成本次試驗，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的橫向荷載要求，設(shè)計出適用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞斷裂實驗方法。

3.4 試驗方法設(shè)計 以下述方法體現(xiàn)出上述疲勞斷裂試驗的規(guī)劃。假設(shè)上述3 個測點的橫向荷載峰值均在350-560kN 之間，在上述試驗環(huán)境下將鋼結(jié)構(gòu)橋梁的試件荷載加載參數(shù)和橫向荷載參數(shù)匯總于表5 中所示。

表5 試件荷載加載參數(shù)

設(shè)定本次試驗的橫向荷載加載參數(shù)分為3 級，則仿真模擬實驗需要在基本參數(shù)發(fā)生變化的情況下進行3 次試驗，試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 橫向載荷參數(shù)設(shè)定

采集鋼結(jié)構(gòu)試件出現(xiàn)橫向應力斷裂前的載荷參數(shù)，采集時間間隔為1h，若采集過程中出現(xiàn)斷裂情況則需要立即停止數(shù)據(jù)的采集工作，鋼結(jié)構(gòu)疲勞時間裂紋的檢測工作應當與上述信息的采集工作同步進行，以此獲得更加真實的疲勞斷裂模擬試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。使用S-N 曲線對結(jié)果進行表示，其公式為：

上式中：C 與m 均表示試件材料的常數(shù)。

使用對數(shù)方法對其進行計算可得公式為：

借助上述公式可獲得試驗鋼結(jié)構(gòu)的疲勞曲線，上式中使用數(shù)據(jù)皆可通過數(shù)據(jù)回歸方法得出。

4 試驗結(jié)果

4.1 一級荷載狀態(tài)下的試驗結(jié)果 為驗證上述試驗設(shè)計的可行性與合理性，將以上述實驗設(shè)計為基礎(chǔ)環(huán)境進行鋼結(jié)構(gòu)橋梁建筑的橫向載荷應力的檢測，并得出所用鋼結(jié)構(gòu)橋梁的仿真試驗疲勞數(shù)據(jù)，同時對試件與時間的差異進行考慮，使用疲勞曲線實現(xiàn)最終結(jié)果的顯示，詳細數(shù)據(jù)變化如圖1 所示。疲勞曲線循序變化為板厚檢測、弦桿與節(jié)點板焊接處檢測和橋梁弦桿棱角焊接處檢測。由下圖數(shù)據(jù)可知，在相同的荷載力作用下，三組測點的疲勞曲線波動大致相似，并且該荷載等級下并未出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象，證明橋梁鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件抗疲勞性較好。

圖1 一級荷載狀態(tài)下的試驗結(jié)果

4.2 二級荷載狀態(tài)下的試驗結(jié)果 為探究二級荷載狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件的抗疲勞性效果，將模擬多次鋼結(jié)構(gòu)橫向載荷應力變化對測點影響分析，因該等級狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)疲勞變化與等級一變化相似，因此不進行曲線圖的描繪工作。但在試驗構(gòu)件的荷載數(shù)值不斷升高過程中，測點3 在100 荷載力后開始出現(xiàn)波動，并且在施加240 荷載力時出現(xiàn)斷裂情況。相比較測點3 數(shù)據(jù)變化其測點1 和測點2 數(shù)據(jù)變化相對平穩(wěn)，但仍會在荷載力不斷增加的情況下出現(xiàn)斷裂。

4.3 三級荷載狀態(tài)下的試驗結(jié)果 將本次試驗的荷載輸出設(shè)定為測點的極限值，由此獲得三級荷載參數(shù)下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞性試驗實驗結(jié)果，其試驗數(shù)據(jù)變化如圖2 所示。

圖2 三級荷載狀態(tài)下的試驗結(jié)果

在三級荷載狀態(tài)下，僅剩測點3 一條較為完整的曲線。結(jié)合上述試驗設(shè)計測點1 在施加420 荷載力時出現(xiàn)斷裂，因此不對其進行數(shù)據(jù)檢測，同時測點2 在施加480 荷載力時出現(xiàn)斷裂，因此同樣不對其后續(xù)應力變化進行數(shù)據(jù)采集。通過原始數(shù)據(jù)與曲線變化可知，測點1 和測點2 在出現(xiàn)斷裂之后其開裂部分的應變測點數(shù)據(jù)仍會不斷增加，同時測點3 數(shù)值會出現(xiàn)一定程度的下降，證明其應當編制在應力變化的彈性形變的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

綜上所述，由上述試驗設(shè)計及結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在橫向荷載的影響下，其構(gòu)件的疲勞斷裂順序為先細節(jié)負載斷裂后平整部分斷裂。實驗發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、受力方式以及受力點的分布直接影響鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞強度。在上述3 種因素的共同影響下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件疲勞強度將會提升一個等級，并會形成結(jié)構(gòu)斷裂的情況，并且由試驗結(jié)果可以看出鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能變化與焊接質(zhì)量同樣存在直接關(guān)系，其應力變化在同等參數(shù)等級的試驗環(huán)境下極為明顯。因此，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件細節(jié)進行精細化處理，能夠有效降低結(jié)構(gòu)細節(jié)問題帶來的應力集中問題，從而提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞能力，預防不規(guī)則應力變化造成的橋梁斷裂問題。