公路鋼橋面抗疲勞性能的模型試驗(yàn)方法研究

鄒春蓉, 曹 文

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 四川成都 610031)

正交異性鋼橋面板是通過焊接將鋼橋的縱肋、橫肋和蓋板聯(lián)合到一起承受外載的橋面結(jié)構(gòu)形式。20世紀(jì)50年代開始廣泛應(yīng)用，至今已成為現(xiàn)代鋼橋的重要標(biāo)志[1-2]。正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)用鋼量相對(duì)較低，整體、局部強(qiáng)度和剛度增加，與傳統(tǒng)鋼橋面板相比，自重降低了20%～40%。因此，正交異性鋼橋面板普遍應(yīng)用于各類橋梁，包括許多懸索橋及斜拉橋的主梁鋼橋面。然而，歷史上正交異性鋼橋面的發(fā)展并非一帆風(fēng)順[1]，與其優(yōu)異性能相對(duì)應(yīng)的是反復(fù)荷載作用下的疲勞問題。存在問題：①構(gòu)造較復(fù)雜，應(yīng)力集中明顯；②大量采用焊接工藝，熱殘余應(yīng)力大，潛在焊接缺陷顯著；③易疲勞細(xì)節(jié)數(shù)量多；④直接承受車輪荷載的反復(fù)作用；⑤早期正交異性鋼橋面焊接施工質(zhì)量難以保證。在這些因素作用下，正交異性鋼橋面極易出現(xiàn)疲勞裂紋[1,6,7,9]。

自20世紀(jì)90年代以來我國采用正交異性鋼橋面比較成功地解決了相對(duì)復(fù)雜、大跨度橋梁的主梁結(jié)構(gòu)輕型化問題，同時(shí)也存在部分橋梁建設(shè)速度較快、設(shè)計(jì)偏于節(jié)約、對(duì)后期重載和超載估計(jì)不足、工廠制造和工地連接質(zhì)量尚待提高等問題。盡管我國在正交異性鋼橋面橋梁的設(shè)計(jì)時(shí)很大程度上借鑒國外設(shè)計(jì)思想，但限于當(dāng)時(shí)對(duì)于正交異性鋼橋面的認(rèn)識(shí)水平，相當(dāng)一部分橋梁結(jié)構(gòu)在服役不久后即呈現(xiàn)出不同程度的鋼橋面疲勞開裂問題，有的橋梁甚至在投入使用不久后就出現(xiàn)了大量疲勞開裂，直接影響到結(jié)構(gòu)安全和行車安全[10]。從總體上看，正交異性鋼橋面的疲勞問題出現(xiàn)早開裂、多裂縫、裂縫再現(xiàn)的狀態(tài)[11]。

隨著正交異性鋼橋面日益突出的疲勞問題，越來越多研究員認(rèn)識(shí)到，疲勞控制著大多數(shù)構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)[12]。大量的科研機(jī)構(gòu)對(duì)正交異性鋼橋面易疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行較為全面的實(shí)驗(yàn)研究，本文將針對(duì)各種實(shí)驗(yàn)研究方法進(jìn)行回顧和總結(jié)。

1 正交異性鋼橋面模型試驗(yàn)研究方法

構(gòu)造細(xì)節(jié)復(fù)雜、大量使用焊接工藝以及承受直接的動(dòng)力載荷是正交異性鋼橋面的特點(diǎn)。因此，單純數(shù)值模擬的方法很難準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行疲勞評(píng)價(jià)。就目前來看，模型試驗(yàn)研究仍然是疲勞研究中最合理、最有效的手段[13]。同時(shí)，疲勞試驗(yàn)又是一項(xiàng)極其耗費(fèi)時(shí)間和研究經(jīng)費(fèi)的工作。

迄今為止，國內(nèi)外鋼橋面板各種構(gòu)造細(xì)節(jié)抗疲勞性能的改善均是根據(jù)大量疲勞試驗(yàn)的研究結(jié)果給出，然而由于鋼橋面板的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，疲勞試驗(yàn)的設(shè)計(jì)也在不斷的進(jìn)行變遷。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)模的不同，疲勞試驗(yàn)可分為基于等效應(yīng)力幅值的構(gòu)造細(xì)部試驗(yàn)和基于載荷等效的足尺節(jié)段模型試驗(yàn)。 構(gòu)造細(xì)部疲勞試驗(yàn)的研究對(duì)象是具體的構(gòu)造細(xì)節(jié)，其主要目的包括：建立構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞抗力模型；研究新工藝、新結(jié)構(gòu)造的疲勞性能，分析比較它們是否能有效提高疲勞性能。構(gòu)造細(xì)部的疲勞試驗(yàn)特別關(guān)注鋼橋縱肋和鋼橋頂板連接焊縫、鋼橋縱肋和鋼橋橫肋相交位置處的疲勞。由于正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，基于應(yīng)力幅等效的構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞試驗(yàn)難以反應(yīng)實(shí)際橋梁中構(gòu)造細(xì)節(jié)的真實(shí)受力狀態(tài)，需要采用荷載相似的足尺節(jié)段模型試驗(yàn)。

1.1 頂板-縱肋焊縫疲勞試驗(yàn)

目前對(duì)于鋼橋頂板與鋼橋縱肋焊縫疲勞開裂的形成原因已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：在焊接連接處，由于受到汽車輪載的作用，鋼橋縱肋與鋼橋頂板會(huì)產(chǎn)生面外的變形，導(dǎo)致橋面橫向的次應(yīng)力，在焊縫的焊趾或焊根位置導(dǎo)致疲勞開裂。該構(gòu)造細(xì)節(jié)在設(shè)計(jì)和結(jié)果分析上較為清晰，但是由于受到焊接導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和試驗(yàn)加載頻率等因素，試件、邊界條件和應(yīng)力比等和實(shí)際仍有區(qū)別，對(duì)該構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)主要有小試件彎曲加載疲勞試驗(yàn)和足尺局部模型疲勞試驗(yàn)2種形式，如圖1(a)、圖1(b)所示。

圖1 頂板-縱肋焊縫疲勞試驗(yàn)

1.2 縱肋與橫肋交叉部位疲勞試驗(yàn)

縱肋與橫肋相交位置是迄今為止由疲勞開裂導(dǎo)致裂紋最多的部位[10-11]。除了在一些特別的情況下(例如和鋼橋端部橫隔板相交或橫肋的肋高較小，且鋼橋橫肋的腹板是Z向鋼時(shí))采取縱肋不貫通橫肋的構(gòu)造，其余絕大多數(shù)情況均采取縱肋連續(xù)貫通橫肋構(gòu)造[3]。由于該部位不同截面型式縱、橫向構(gòu)件交叉，焊縫密集，且由于輪載的縱橋向移動(dòng)及橫橋向輪跡線的不同導(dǎo)致該處各板件為面內(nèi)及面外復(fù)合受力。各國早期進(jìn)行的有關(guān)縱肋與橫肋交叉部位的疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)往往將該部位各構(gòu)件的復(fù)合受力解耦，將橫肋面內(nèi)、縱肋面內(nèi)受力分別考慮，以獲得其各自構(gòu)造細(xì)節(jié)的的S-N曲線。相關(guān)的疲勞試驗(yàn)主要包含2種方式：①鋼橋單U肋足尺局部模型疲勞試驗(yàn)；②足尺局部模型鋼橋橫肋及縱肋面內(nèi)彎曲組合疲勞試驗(yàn)，見圖2。

圖2 鋼橋縱肋和橫肋相交位置疲勞試驗(yàn)

1.3 足尺節(jié)段模型疲勞試驗(yàn)

鋼橋面板的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，鋼橋縱肋和橫肋相交部位等構(gòu)造采取小試件或足尺局部模型試驗(yàn)難以準(zhǔn)確分析出真實(shí)的受力狀態(tài)。國外近期已有的鋼橋面板相關(guān)的結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的研究，發(fā)展方向是采用足尺節(jié)段模型，見圖 3。但與此同時(shí)，采用足尺節(jié)段模型會(huì)顯著增加實(shí)驗(yàn)成本。因此，國外主要是先通過足尺局部模型靜載及疲勞試驗(yàn)選定構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而確定最終設(shè)計(jì)方案后，最后經(jīng)過足尺節(jié)段模型的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其抗疲勞性能[10,13]。

圖3 鋼橋面典型足尺節(jié)段模型疲勞試驗(yàn)研究

2 典型正交異性鋼橋面足尺疲勞試驗(yàn)

在20世紀(jì)80年代，部分科研機(jī)構(gòu)對(duì)正交異性鋼橋面的單一焊縫、單一頂板縱肋單元進(jìn)行了細(xì)致的試驗(yàn)研究工作，對(duì)單一焊縫、單一頂板縱肋單元相關(guān)疲勞性能有了深入認(rèn)識(shí)。為了更加全面了解正交異性鋼橋面的疲勞性能，從20世紀(jì)90年代以后，部分科研機(jī)構(gòu)開展足尺疲勞模型試驗(yàn)研究工作。本節(jié)將選取其中較為典型的案例，對(duì)其試驗(yàn)工作和結(jié)果進(jìn)行回顧和總結(jié)。

2.1 構(gòu)造細(xì)節(jié)試驗(yàn)

Samol等[14]在正交異性鋼橋面鋼橋頂板和縱肋相交位置焊接疲勞評(píng)估中，從全尺寸正交異性剛橋面板上切割下距荷載作用位置較遠(yuǎn)的部分作為試驗(yàn)試件，采用自由肋板，用以進(jìn)行足尺循環(huán)彎曲應(yīng)力疲勞試驗(yàn)，試件焊縫使用3種焊接形式：①80%熔透焊縫；②全熔透焊縫；③80%熔透與全熔透焊縫結(jié)合。

試件被分為2組對(duì)象，分別是焊縫處焊趾、焊根的試驗(yàn)。采取轉(zhuǎn)動(dòng)式的疲勞試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)力比設(shè)置為0.2，頻率設(shè)置為20 Hz。在試驗(yàn)過程中采用顏色滲透法(Dye mark)和貝紋標(biāo)記法(Beach mark)用于觀察裂縫的形成和發(fā)展，焊趾、焊根5 mm位置處布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞裂縫主要來源于焊根而不是焊趾，焊根位置處的焊接質(zhì)量控制較為困難。但作者提到，在全尺寸模型試驗(yàn)中疲勞裂縫是由焊趾主導(dǎo)。

葉華文等[15]在研究不同開孔形式的開口肋正交異性鋼橋面板交叉細(xì)節(jié)疲勞行為過程中，基于應(yīng)力幅等效原則采用了1∶1比例進(jìn)行模型試驗(yàn)。為模擬斜拉索及車輛荷載的共同作用，試驗(yàn)中采用了3個(gè)作動(dòng)器同相加載，其中2個(gè)豎向作動(dòng)器布置于橋面板模擬車輛荷載，1個(gè)橫向作動(dòng)器布置于錨箱用以模擬斜拉橋中拉索的水平分力。應(yīng)變片布置在研究位置的鋼梁腹板兩邊關(guān)注點(diǎn)位置和鋼梁翼緣板的下底面。在鋼橋橫隔板、加勁肋以及橋面板交接焊縫位置，與焊縫相距一定的地方都設(shè)置的有應(yīng)變片，循環(huán)加載每50萬次就作一次靜力試驗(yàn)用來探測(cè)試件的受力狀態(tài)。在試驗(yàn)梁跨中部位安裝百分表用于測(cè)量撓度。試驗(yàn)結(jié)果表明：橫向荷載主要作用于橫隔板，對(duì)于不同方式的橫隔板受力影響基本一致；蘋果形開孔處橋面板、橫隔板和加勁肋的主拉應(yīng)力均小于相同情況下的鑰匙型和圓型開孔；保證焊接工藝情況下，蘋果形開孔處關(guān)鍵細(xì)節(jié)焊縫疲勞強(qiáng)度高于鑰匙型相應(yīng)處。

田洋等[16]在閉口頂板-U肋位置的焊縫疲勞性能的研究中，對(duì)比了熔透與貼邊角焊縫的疲勞性能。試驗(yàn)采用單U肋試件，加載方式有2種，分別是軸心和偏心加載。加載長度和試件等寬，加載寬度為100 mm。U肋兩側(cè)采用鉸支約束，加載頻率為8 Hz，循環(huán)間隔10萬次作靜載測(cè)試，直到構(gòu)件破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明：由于疲勞導(dǎo)致的貼邊角焊縫的裂縫多開始于U肋腹板的焊趾位置，大多數(shù)是沿著焊縫和母材交界面或者U的肋腹板延展直至破壞；熔透焊縫開裂的起始基本上開始發(fā)展于鋼橋面板的焊趾位置，過后裂紋垂直發(fā)展，微裂紋萌生后發(fā)展的速度非?？臁Ｑh(huán)次數(shù)的加大，裂紋擴(kuò)展的速度也會(huì)變快，直到完全開裂。

Cao Vu Dung等[17]在對(duì)鋼橋面板中熔透率對(duì)頂板-U肋焊縫疲勞強(qiáng)度的影響中，采用了由工廠生產(chǎn)的2個(gè)全熔透試件和2個(gè)75%熔透試件。邊界條件為簡支，單作動(dòng)頭。作動(dòng)器布置于試件跨中，用以模擬50 kN的單個(gè)車輪荷載(20 cm×20 cm)。初始荷載幅為-5～55 kN，當(dāng)實(shí)測(cè)應(yīng)力幅降低50%后荷載幅變?yōu)?～-45 kN。在頂板-U肋焊縫內(nèi)側(cè)沿焊縫縱向在布置有9個(gè)橫向應(yīng)變計(jì)，測(cè)點(diǎn)距離內(nèi)側(cè)焊趾或焊根5 mm，縱向均勻布置于離試件中面40 mm范圍內(nèi)。試驗(yàn)中，根據(jù)應(yīng)變片應(yīng)力幅變化對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：增加熔深有利于增加肋-板焊縫抗疲勞能力；全熔透試件的裂縫從鋼橋肋板內(nèi)側(cè)焊趾位置產(chǎn)生，75%熔透試件的裂縫從焊根部位產(chǎn)生。

2.2 足尺節(jié)段段試驗(yàn)

美國里海大學(xué)在1995年和1998年進(jìn)行紐約威廉斯堡橋的橋面改造節(jié)段足尺模型疲勞試驗(yàn)研究工作[18]，如圖4所示。在2001年，進(jìn)行紐約布朗士白石橋的橋面改造節(jié)段足尺模型疲勞試驗(yàn)研究工作[19]，如圖5所示。在2011年，紐約維拉扎諾海峽橋(Verrazano Narrows Bridge進(jìn)行了足尺模型疲勞試驗(yàn)。該橋?yàn)橹骺? 298 m懸索橋，1964年建成)的橋面改造節(jié)段足尺模型疲勞試驗(yàn)研究工作[20]；美國加州大學(xué)圣迭戈分校在2007年進(jìn)行針對(duì)制造工藝和完全熔透的足尺模型疲勞試驗(yàn)研究工作，如圖6所示。在威廉斯堡橋橋面改造節(jié)段足尺模型疲勞試驗(yàn)研究工作中對(duì)縱肋在通過橫隔板處加內(nèi)隔板的構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)增加橫隔板在縱肋位置的連續(xù)性，有助于減小橫隔板和縱肋位置處焊縫下端面內(nèi)外面的應(yīng)力幅。同時(shí)，通過試驗(yàn)比選出了較為合理的方案：橫隔板和縱肋位置的上段采取雙面角焊縫，下段采取雙面坡口全熔透焊縫的方式，焊完后去除上述板條及其焊縫，使該焊縫下端打磨光滑成圓弧倒角。

圖4 威廉斯堡橋節(jié)段足尺模型

圖5 布朗士白石橋節(jié)段足尺模型

圖6 美國加州大學(xué)圣迭戈分校橋面足尺模型

巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)[20]在2008年針對(duì)里約尼特羅伊橋主橋的正交異性鋼橋面加固進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)。該試驗(yàn)采取2種增強(qiáng)正交異性鋼橋面性能的方法：一種是“三明治”結(jié)構(gòu)方案：在鋼頂板和100 mm鋼筋混凝土層之間加強(qiáng)附著力的粘彈性層；另一種是采用組合結(jié)構(gòu)方案：在鋼頂板上焊接栓釘，鋪設(shè)120 mm鋼筋混凝土層。試驗(yàn)結(jié)果表明，“三明治”結(jié)構(gòu)方案在提高正交異性鋼橋面疲勞性能方面更優(yōu)，但是其二次修復(fù)仍然有較大困難。

3 結(jié)論

正交異性鋼橋面具有構(gòu)造細(xì)節(jié)復(fù)雜、大量使用焊接工藝以及直接承受動(dòng)力荷載的特點(diǎn)，存在問題：

(1)構(gòu)造較復(fù)雜，應(yīng)力集中明顯。

(2)大量采用焊接工藝，熱殘余應(yīng)力大，潛在焊接缺陷多。

(3)易疲勞細(xì)節(jié)數(shù)量大。

(4)直接承受車輪荷載的反復(fù)作用。

(5)早期鋼橋面焊接質(zhì)量難保證。這些因素共同作用下，正交異性鋼橋面極易出現(xiàn)疲勞裂紋，需要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其疲勞性能，而模型疲勞試驗(yàn)方法是最合理有效手段。

本文對(duì)正交異性鋼橋面模型疲勞試驗(yàn)方法和典型的疲勞試驗(yàn)開展了較系統(tǒng)的回顧與總結(jié)。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)模不同，疲勞試驗(yàn)可分為基于應(yīng)力幅等效的構(gòu)造細(xì)節(jié)試驗(yàn)、基于荷載等效的足尺節(jié)段模型試驗(yàn)。前者研究對(duì)象是局部構(gòu)造細(xì)節(jié)，目的是建立構(gòu)造細(xì)節(jié)的抗力模型；對(duì)新工藝、新構(gòu)造的疲勞性能進(jìn)行研究，分析對(duì)比其是否能夠有效地提高疲勞性能。后者為研究實(shí)橋整體復(fù)雜受力狀態(tài)，主要目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的疲勞性能。此外，本文還列舉相關(guān)典型正交異性鋼橋面足尺疲勞試驗(yàn)案例，以供相關(guān)研究、設(shè)計(jì)和建設(shè)參考。