鋼橋梁正交異性橋面板U形肋焊接接頭疲勞特性 研究

關(guān)鍵詞：鋼橋梁；正交異性橋面板；U形肋；焊接接頭；疲勞特性

中圖分類號(hào)：U445. 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.046

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0156-03

0 引言

正交異性鋼橋面板中疲勞裂紋通常在底部存在，裂紋的產(chǎn)生限制了正交異性鋼橋面板在行車荷載作用下的使用壽命。通常，正交異性鋼橋面板與U形肋通過焊接集成在一起，隨著交通流量的不斷增大和車輛載重的持續(xù)提高，鋼橋梁所承受的荷載也日益復(fù)雜，U形肋焊接接頭容易出現(xiàn)疲勞裂紋，從而影響橋梁的結(jié)構(gòu)性能和使用安全。因此，深入研究鋼橋梁正交異性橋面板U形肋焊接接頭的疲勞特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼橋梁的疲勞問題進(jìn)行了大量研究，U形肋條與橫梁焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式和疲勞評(píng)定方法一直備受關(guān)注。龐延波等1使用幾何應(yīng)力集中因子比較了三種類型的肋條與橫梁焊接連接的疲勞性能，并指出穿過橫梁的連續(xù)槽焊接接頭在橫梁上孔處容易產(chǎn)生疲勞裂紋。薛長(zhǎng)利等2通過全尺寸試樣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，對(duì)肋條與橫梁焊接接頭處的應(yīng)力分布和疲勞開裂行為進(jìn)行分析，得出疲勞裂紋發(fā)生在焊接接頭的焊趾處的結(jié)論。施洲等3研究結(jié)果表明，橫梁中平面內(nèi)應(yīng)力占主導(dǎo)地位，通過有限元分析得出橫梁切口處的應(yīng)力集中程度較高的結(jié)論。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，對(duì)不同的疲勞失效模式下U形肋焊接接頭疲勞性能研究較多[4]，對(duì)疲勞開裂特征研究較少?；诖?，本文對(duì)大型正交異性鋼橋面板試樣開展試驗(yàn)，通過研究U形肋焊接接頭的疲勞失效模式、應(yīng)變和垂直位移，揭示U形肋焊接接頭疲勞破壞特征的機(jī)理。

1試驗(yàn)方案

1.1試樣

為探究鋼橋梁正交異性橋面板U形肋焊接接頭疲勞失效模式、應(yīng)變和垂直位移，本研究將試樣尺寸設(shè)定為2.7m×1.4m×0.7m 試樣由一個(gè) 18m m 厚的甲板、兩個(gè)間隔為2.5m的橫梁（厚度為 14m m 兩個(gè)縱向U形肋和若干加筋板組成。兩個(gè)U形肋的高度相同 ，頂部寬度為 ，底部寬度為 170m m ，肋壁厚度為 。在每個(gè)橫梁的底部安裝1.4m長(zhǎng)、20mm厚的法蘭板，以便為橫梁提供足夠的剛度和穩(wěn)定性。試樣的所有部件都通過焊接連接在一起[5]。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661一2011），在焊接過程中，采用二氧化碳作為保護(hù)氣體，將U形肋分別通過角焊縫和部分焊透坡口焊縫焊接到橫梁和甲板上[。由于焊接臂通過上孔的通道受到限制，因此使用焊接機(jī)焊接接頭。開展疲勞試驗(yàn)前，通過手工錘擊的方式對(duì)U形肋焊接接頭的焊接區(qū)域進(jìn)行局部處理，以部分釋放接頭的焊接殘余應(yīng)力。

正交異性鋼橋面板試樣由熱軋低合金結(jié)構(gòu)鋼（Q370qE級(jí)）制成，嚴(yán)格按照《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T714—2008）標(biāo)準(zhǔn)鑄造。如表1所示為正交異性鋼橋面板的力學(xué)性能和化學(xué)成分。

1.2 測(cè)試裝置

所有試樣均利用支架支撐于橫梁兩端，并在試驗(yàn)室中承受循環(huán)荷載作用。4個(gè)鋼支座通過緊固螺栓將上部試樣和下部工字梁進(jìn)行連接，并固定在地基上，以保證正交異性鋼橋面板在受力過程中的穩(wěn)定性。同時(shí)，采用剛性荷載吊具將推桿的集中力轉(zhuǎn)換成均勻分布的荷載。在剛性荷載吊具和試樣之間放置兩個(gè)橡膠墊，以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中車輪對(duì)正交異性鋼橋面板的作用效果。采用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車進(jìn)行疲勞荷載加載。

1.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用疲勞失效模式、應(yīng)變及垂直位移指標(biāo)對(duì)U形肋焊接接頭的疲勞特性進(jìn)行表征。指標(biāo)可分為以下三類：

（1）疲勞失效模式。加載系統(tǒng)自動(dòng)記錄裝載循環(huán)次數(shù)。隨著疲勞試驗(yàn)的穩(wěn)步進(jìn)行，對(duì)焊接接頭裂紋進(jìn)行目視檢測(cè)，以評(píng)估試樣的狀況，對(duì)U形肋焊接接頭的疲勞失效模式進(jìn)行分析。

（2）應(yīng)變。為研究正交異性鋼橋面板的應(yīng)變變化，在U形肋骨與橫梁焊接點(diǎn)以及其他疲勞敏感區(qū)域（如肋骨與面板焊接點(diǎn)和縱肋底部）周圍安裝39個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)變片安裝位置在橫梁兩側(cè)焊縫相交的焊趾端，如圖1所示。同時(shí)，在預(yù)計(jì)開裂區(qū)域（距焊趾約 放置一個(gè)應(yīng)變片，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)開裂動(dòng)態(tài)變化8，并使用密封膠將應(yīng)變片黏附在鋼材表面。

（3）垂直位移。試樣的垂直位移均由四個(gè)刻度盤指示器測(cè)量（位移測(cè)量的分辨率為 ，精度為 ，分別為D1～D4：D1和D2安裝在兩根縱向U形肋的底部中心；D3和D4安裝在兩根橫梁中跨的下方。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（型號(hào)：KyoWaUCAM-60B）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1.4 加載方式

（1）靜態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試采用XJJ250型伺服作動(dòng)器，該儀器的力控制精度達(dá)到 ±0.5% ，位移控制精度為 ，垂直加載力為模擬車輛通過橋面時(shí)的作用力。垂直加載力范圍設(shè)定為 ，可滿足U形肋焊接接頭在復(fù)雜受力狀態(tài)下的靜態(tài)響應(yīng)。在研究U形肋在垂直荷載作用下的靜態(tài)響應(yīng)時(shí)，加載點(diǎn)設(shè)定在U形肋頂部的中心位置，能夠較好地模擬車輛荷載通過橋面板傳遞到U形肋上的垂直力，使試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際受力狀態(tài)。每100次加載循環(huán)進(jìn)行一次靜態(tài)試驗(yàn)，以評(píng)估試樣的剛度。靜態(tài)試驗(yàn)的施加荷載幅度與疲勞試驗(yàn)的施加荷載幅度相等[10]。

（2）疲勞試驗(yàn)。在初始靜態(tài)試驗(yàn)之后，在前200個(gè)循環(huán)內(nèi)，試樣在初始荷載振幅下依次承受循環(huán)載荷。循環(huán)荷載的頻率約為 ，以最大限度地減少動(dòng)態(tài)負(fù)載效應(yīng)。200個(gè)循環(huán)后，對(duì)U形肋開始交替進(jìn)行靜態(tài)和疲勞試驗(yàn)，并測(cè)量應(yīng)變、位移等指標(biāo)，以評(píng)估U形肋焊接接頭的性能退化程度。

2 測(cè)試結(jié)果和討論

2.1 失效模式

圖2展示了U形肋焊接接頭從開始試驗(yàn)到疲勞失效的過程。從圖2中可以觀察到：從肋焊趾處的焊接端開始產(chǎn)生疲勞裂紋，逐漸沿肋壁表面繼續(xù)擴(kuò)展。根據(jù)視覺觀察，疲勞失效過程可分為三個(gè)階段。第一階段：從疲勞試驗(yàn)開始到U形肋焊接接頭焊趾疲勞裂紋萌生，如圖2（a）所示。第二階段：U形肋壁處的裂紋擴(kuò)展，表面裂紋在縱向方向上延伸超過橫梁的厚度，在該階段，裂紋路徑大致平行于焊接接頭處的端焊縫，如圖2（b）所示。第三階段：裂紋擴(kuò)展路徑逐漸偏轉(zhuǎn)并向上擴(kuò)展，直到疲勞裂紋最終沿厚度方向穿過肋壁，如圖2（c）所示，此時(shí)可以確定為疲勞失效的臨界條件[11]。

2.2不同荷載和加載循環(huán)次數(shù)下的焊接接頭應(yīng)變

如圖3所示為U形肋焊接接頭處的應(yīng)變與荷載之間的關(guān)系。由圖3可知：

（1）應(yīng)變隨著施加的荷載增加近似線性地增加。在加載初期，當(dāng)所施加的荷載較小時(shí)，U形肋焊接接頭處于線性彈性階段。此時(shí)，焊接接頭的應(yīng)變隨著荷載的增加而成比例地增加，符合胡克定律。

（2）隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，焊接接頭的應(yīng)變開始進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段。在該階段，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化，如位錯(cuò)的增殖、滑移等，導(dǎo)致接頭抵抗變形的能力逐漸下降。因此，在相同的荷載作用下，應(yīng)變的增長(zhǎng)速度加快。例如，荷載為240KN時(shí)，循環(huán)次數(shù)100次、200次的應(yīng)變較循環(huán)次數(shù)0次分別增加208. 62% 、411. 42% 。由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，焊接接頭開始出現(xiàn)局部的塑性變形。這種塑性變形是不可逆的，即使卸載后，焊接接頭也無法完全恢復(fù)到原來的狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)變。同時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，殘余應(yīng)變會(huì)不斷積累，導(dǎo)致焊接接頭的整體變形逐漸增大。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為400次時(shí)，焊接接頭的應(yīng)變急劇增加，荷載為400kN時(shí)，應(yīng)變高達(dá) ，較循環(huán)300次增加9. 13% 。進(jìn)一步表明循環(huán)400次時(shí)，焊接接頭的疲勞壽命已達(dá)到極限，接頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了嚴(yán)重的損傷，承載能力大幅下降。此時(shí)，在較小的荷載作用下，應(yīng)變也會(huì)急劇增加。

（3）相同循環(huán)次數(shù)下，隨著荷載增加，焊接接頭應(yīng)變的增長(zhǎng)速度呈先快速增加、后平穩(wěn)增加的趨勢(shì)。其中，荷載為 KN時(shí)，焊接接頭逐漸進(jìn)入彈塑性過渡階段。在該階段，應(yīng)變的增長(zhǎng)速度開始較快，由于塑性變形的出現(xiàn)，焊接接頭內(nèi)部的應(yīng)力分布也會(huì)發(fā)生變化。在彈性階段，應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，但進(jìn)入彈塑性階段后，應(yīng)力會(huì)向塑性變形較大的區(qū)域集中，使得這些區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)一步增加，而其他區(qū)域的應(yīng)力則相對(duì)減小。這種應(yīng)力重新分布的現(xiàn)象會(huì)影響焊接接頭的承載能力和變形特性。當(dāng)載荷 gt;80 KN后，焊接接頭逐漸進(jìn)入塑性階段，應(yīng)變會(huì)隨著載荷的增加而增加，最大應(yīng)變?yōu)? ，如果焊接接頭的塑性變形過大，可能會(huì)引起焊縫開裂、U形肋與橫梁之間的連接松動(dòng)等問題，從而影響橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全。

2.3不同加載循環(huán)次數(shù)下的焊接接頭垂直位移

如圖4所示為U形肋焊接接頭垂直位移和加載循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，荷載大小為400KN。垂直位移由安裝在U形肋U1和U2底部的兩個(gè)千分表（D1和D2）獲得，數(shù)據(jù)取其平均值。從圖4可以得出以下結(jié)論：

（1）在加載循環(huán)次數(shù)較少階段 次），焊接接頭結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，U形肋內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化尚未明顯累積。此時(shí)施加的載荷還不足以使U形肋接頭產(chǎn)生較大的變形，垂直位移變化量非常小，初始（0次）垂直位移為0.62mm，100次時(shí)的垂直位移僅為0. 69m m ，相較0次僅增加 11.29%。

（2）隨著加載循環(huán)次數(shù)的不斷增加 次，U形肋內(nèi)部開始出現(xiàn)微觀損傷，如位錯(cuò)的增殖、滑移帶的形成等。這些微觀損傷逐漸累積，導(dǎo)致接頭的剛度逐漸降低，垂直位移開始逐漸增大。相比于初始階段，此階段的垂直位移增長(zhǎng)速度仍較為緩慢，循環(huán)200次時(shí)，垂直位移較循環(huán)0次僅增加 27.41% 。

（3）當(dāng)加載循環(huán)次數(shù)接近或達(dá)到接頭的疲勞壽命極限時(shí)（400次），接頭內(nèi)部的損傷已經(jīng)非常嚴(yán)重，垂直位移高達(dá) ，較循環(huán)0次增加 141.93% 。此時(shí)，U形肋焊接接頭的承載能力大幅下降，接頭內(nèi)部的裂紋已經(jīng)開始擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)的完整性遭到嚴(yán)重破壞，U形肋焊接接頭已無法再有效地抵抗載荷的作用。

3結(jié)語

本文對(duì)鋼橋梁正交異性鋼橋面板U形肋的焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以評(píng)估焊接接頭的疲勞特性，可得出以下結(jié)論：

（1）通過觀察U形肋焊接接頭疲勞失效過程，總結(jié)U形肋焊接接頭疲勞失效主要經(jīng)歷3個(gè)階段，疲勞裂紋主要從焊趾處的焊接端開始并沿肋壁擴(kuò)展。（2）隨著荷載水平增加，U形肋焊接接頭的應(yīng)變呈現(xiàn)線性增加規(guī)律；隨著循環(huán)荷載次數(shù)增加，U形肋焊接接頭的應(yīng)變呈現(xiàn)穩(wěn)定變化規(guī)律。（3）隨著加載循環(huán)次數(shù)的不斷增加（ 次），U形肋一橫梁材料內(nèi)部開始出現(xiàn)微觀損傷，如位錯(cuò)的增殖、滑移帶的形成等。但當(dāng)加載循環(huán)次數(shù)接近或達(dá)到接頭的疲勞壽命極限時(shí)（400次），接頭內(nèi)部的損傷較為嚴(yán)重，U形肋一橫梁的焊接接頭承載能力大幅下降。

參考文獻(xiàn)

[1龐延波，靳澤中.鋼橋面板U肋全熔透焊縫疲勞性能試驗(yàn)研究[J].公路，2022，67（11）：124-131.

[2]薛長(zhǎng)利，張建國(guó)，孫衛(wèi)國(guó)，等.鋼橋梁正交異性橋面板U肋焊接工藝研發(fā)與探討[J].金屬加工（熱加工），2021（12）：16-20.

[3]施洲，張勇，楊仕力，等.鐵路正交異性橋面加勁肋一橫隔板局部疲勞受力特性研究[J].工程力學(xué)，2019，36（2）：124-133.

[4]賈恩實(shí)，馬潤(rùn)平，張強(qiáng).歐美規(guī)范中公路橋梁正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計(jì)對(duì)比分析[J」.世界橋梁，2013，41（2）：31-34

[5]雷步虎.大跨度橋梁鋼箱梁疲勞裂紋特征分析及檢測(cè)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代物業(yè)（中旬刊），2020（2）：42-43

[6]黃云，張清華，郭亞文，等.鋼橋面板縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)表面缺陷及疲勞效應(yīng)研究[J].工程力學(xué)，2019，36（3）：203-213，223

[7]施洲，蒲黔輝，楊仕力，等.大跨度鐵路鋼箱梁斜拉橋正交異性橋面疲勞試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2018，40（1）：94-102

[8]馮輝，吳江波，李彥國(guó)，等.正交異性鋼橋面板U肋全熔透焊縫缺陷分析及質(zhì)量控制措施[J].焊接技術(shù)，2021，50（5）：115-118

[9]張懷志，何志成，高維，等.鋼纖維混凝土鋪裝對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞性能影響分析[J」.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，36（6）：1027-1036

[10]翰曉臣，曾志斌，方興，等.正交異性鋼橋面板U形肋與橫隔板連接處弧形缺口幾何參數(shù)優(yōu)化研究LJ」鋼結(jié)構(gòu)，2016，31（11）：19-25.

[11]鄧揚(yáng)，李愛群，劉揚(yáng)，等.鋼橋疲勞荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)概率建模與疲勞可靠性分析方法J」.土木工程學(xué)報(bào)，2014，47（7）：79-87.