下面文章主要通過對焊接和栓焊連接兩種正交異性鋼橋面工地接頭連接形式的疲勞試驗，確定了兩者的S-N曲線，研究了兩者的疲勞強度和裂紋擴展規(guī)律。通過建立三官堂大橋?qū)崢虻墓?jié)段有限元模型，采用試驗實測S-N曲線對三官堂大橋橋面板工地接頭進行了計算，并且確認了栓焊接頭在實際工程條件下優(yōu)于焊接接頭。

　　關鍵詞：正交異性鋼橋面板,U肋對接接頭,疲勞開裂,栓焊連接,疲勞試驗

　　三官堂大橋位于浙江省寧波市，連接寧波市高新區(qū)與鎮(zhèn)海區(qū)。主橋采用跨度為160m+465m+160m的三跨連續(xù)鋼桁梁，主桁架間距33.7m,主跨支座處主桁高度42.011m，主跨跨中處主桁高度15.5m，主桁高跨比分別為1/11.07和1/30。三官堂大橋采用正交異性鋼橋面板，面板厚度16mm，U肋尺寸為300*300*8mm，橫隔板間距3450mm。

　　正交異性鋼橋面因其優(yōu)越的力學和經(jīng)濟性能，自20世紀50年代被發(fā)明以后，就得到了廣泛的應用[1]。但正交異性鋼橋面板焊縫眾多，在使用過程中常出現(xiàn)疲勞裂紋[2-4]。疲勞裂紋的發(fā)展造成了橋面板剛度下降，鋪裝開裂，行車條件惡化乃至直接影響結(jié)構(gòu)安全。

　　1試件設計與邊界條件

　　正交異性鋼橋面板縱向加勁肋工地接頭有兩種連接方式，即采用帶有襯墊板的單面焊接或高強螺栓連接，因其焊接因在現(xiàn)場單面焊接且仰焊作業(yè)，施工質(zhì)量較難保證，易出現(xiàn)疲勞開裂。縱向加勁肋的高強螺栓連接晚于焊接出現(xiàn)，高強螺栓連接接頭雖然具有較高的疲勞強度，但采用高強螺栓連接需要縱向加勁肋下翼緣開設手孔，手孔的開設嚴重削弱了U肋的截面。因此需要對上述兩種連接方式進行試驗研究以確定上述兩種接頭的疲勞性能。

　　截取正交異性鋼橋面板縱肋工地接頭兩側(cè)各1200mm的部分制作試件，試件總外形尺寸為2400mm*600mm*400mm，試件制作所用材料和制作工藝均與實橋一致。焊接與栓焊連接組.個制作了六個試件，分別編號為AW1~AW6(ALL-WELD)和BW1-BW6(BOLT-WELD)。為確保試驗中試件其他部位不先于縱肋對接接頭部位破壞，在試件U肋和支承板相交處未采取與現(xiàn)行規(guī)范一致的在橫隔板上開孔的做法，而是采取了支承板與U肋相交處雙面角焊縫直接焊接，并在支承板下方設置鉸支座的方式。

　　栓焊接頭連接的試件采用10.9級M22*65高強螺栓，接頭每側(cè)6個螺栓，拼接板厚度8mm，高強螺栓接頭拼接區(qū)域噴涂富鋅防滑涂料。經(jīng)檢測，制作試件所用的高強螺栓扭矩系數(shù)為0.14，高強螺栓拼接區(qū)域抗滑移系數(shù)0.7，符合《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件(GB/T1231-2006)》要求。

　　2靜載試驗和疲勞試驗

　　對焊接試件，在面板對接焊縫，嵌補段兩端共三個截面上粘貼應變片，每個截面粘貼七個應變片，其中五個位于面板上，間距150均勻分布，位于面板上表面。位于試件中心處上表面的一排應變片因正對加載裝置，無法粘貼，因而移至面板背面粘貼。分別在兩邊支座處以及三個應變測量截面的下翼緣中心線處設置位移傳感器。

　　對栓焊試件，在接頭兩側(cè)橫隔板中心線截面處粘貼應變片，應變片的分布焊接試件一致。在栓焊試件的拼接板正中心處及第一排螺栓孔處分別粘貼應變片，在栓接試件U肋端部面板對接焊縫過焊孔處按照熱點應力法測試方法，在距離焊腳6.4mm處和16mm處(0.4倍和1.0倍面板板厚)分別粘貼應變片。

　　在兩側(cè)橫隔板中心線截面處下翼緣中心位置設置位移傳感器。試驗時在試件正中設置一鋼制滾軸并在作動器上安裝靜載試驗采用日本鷺宮制作所制造的V605型電液伺服式結(jié)構(gòu)疲勞試驗系統(tǒng)的500kN作動器，焊接試件分10級逐級加載至300kN，栓焊試件分14級逐級加載至420kN，記錄每級荷載下個測點的應變。

　　在靜載試驗完成后拆除預期破壞部位的應變片以免影響觀察裂紋，然后開始施加疲勞荷載，疲勞荷載的最小荷載指定為10kN，焊接試件最大荷載從210kN到350kN，栓焊試件295kN到402.5kN，加載頻率4Hz。首先從較大的荷載開始施加，隨后逐漸根據(jù)前期實驗狀況調(diào)整荷載，使得數(shù)據(jù)點基本均勻分布。

　　在開始施加疲勞荷載后，每加載兩小時仔細觀察試件各處焊縫，確認試件是否開裂，如有開裂，則記錄首次發(fā)現(xiàn)裂紋時的加載次數(shù)，用粉筆標記裂紋尖端，并記錄加載時間。發(fā)現(xiàn)裂紋后縮短觀察時間間隔。隨著裂紋的發(fā)展，試件承載力和剛度急劇下降，一直加載至試件承載力小于最大疲勞荷載，無法繼續(xù)加載時停止加載。

　　焊接試件首先在U肋弧形段出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋以后裂紋同時向上發(fā)展和沿下翼緣擴展，并最終導致U肋喪失承載力。栓焊試件的裂紋首先出現(xiàn)在拼接板下邊緣中的彎矩最大處或首排螺栓孔下方，若裂紋出現(xiàn)在拼接板下邊緣正中位置，則裂紋向上擴展直至拼接板完全斷裂，若裂紋發(fā)生在首排螺栓孔下方，則裂紋擴展至螺栓孔后無法繼續(xù)擴展，直至螺栓孔對側(cè)形成新的疲勞源，在裂紋擴展至螺栓孔時，部分高強螺栓的墊圈發(fā)生破裂。

　　因焊接接頭和栓焊接頭結(jié)構(gòu)不一致，其最大應力出現(xiàn)在不同的構(gòu)造處，應力-壽命曲線不能完全反映結(jié)構(gòu)的疲勞性能，因此以兩者的荷載-壽命曲線進行對比。在同等荷載的情況下，栓焊接頭疲勞性能遠優(yōu)于焊接接頭，采用與《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范(JTGD64-2015)》中給出的構(gòu)造細節(jié)的S-N曲線形同的形式對疲勞試驗的結(jié)果進行回歸。

　　3實橋驗算

　　根據(jù)實橋狀況，采用通用有限元分析軟件ABAQUS建立了三官堂大橋橋面板的兩個標準節(jié)段的半幅橋面板有限元模型，模型平面尺寸18950mm*33000mm，在模型中主桁下弦桿與腹桿交界處施加三向鉸支邊界條件，在道路中心線側(cè)施加對稱邊界條件。

　　在上述有限元模型上使用自行編制的DLOAD子程序加載《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范(JTGD64-2015)》中規(guī)定的標準疲勞車模型三，即軸重120kN的四軸牽引車，軸距1200mm+6000mm+1200mm。

　　對上述U肋接頭進行雨流計數(shù)，選取對結(jié)構(gòu)損傷較大的部分循環(huán)進行計算，靠近主桁一側(cè)的U肋每通過一輛標準疲勞車，形成兩個應力循環(huán)，其名義應力幅為63.6Mpa和73.0Mpa，靠近道路中心線的一側(cè)則分別為46.7Mpa和53.8MPa，對上述兩個循環(huán)采用Miner準則進行累加。橋面板的疲勞屬于高周疲勞，平均應力對疲勞的影響可以忽略[7]。

　　因此對U肋接頭不考慮平均應力的影響。最終經(jīng)計算，當在實橋上使用焊接接頭時，內(nèi)側(cè)U肋預估壽命為479.2萬輛次，當使用栓焊接頭時，預估壽命為800.6萬輛次，栓焊接頭的壽命顯著高于焊接接頭。

　　4結(jié)論

　　現(xiàn)有的技術(shù)和施工條件下，U肋對接接頭處易出現(xiàn)襯墊板襯墊板在焊接過程中受熱變形，導致U肋弧形段襯墊板與母材不密貼的情況。U肋焊接接頭發(fā)生疲勞破壞的主要原因在于與母材間不密貼，兩者分離處焊縫成型不良，在焊根處形成焊接缺陷，上述焊接缺陷成為疲勞裂紋源，是U肋焊接接頭破壞的直接誘因。雖然手孔的開設造成了U肋截面的削弱，但在不對手孔進行補強的情況下，栓焊接頭的靜強度不低于焊接接頭，且栓焊接頭疲勞性能遠優(yōu)于栓接接頭。栓焊接頭的200萬次加載壽命加載荷載約比焊接接頭高61.5%。

　　參考文獻：

　　[1]霍智宇.基于斷裂力學的鋼橋面板疲勞裂紋擴展研究[D].北京:北方工業(yè)大學,2016.

　　[2]陶曉燕.大跨度鋼橋關鍵構(gòu)造細節(jié)研究[D].北京:中國鐵道科學研究院,2008.

　　[3]錢冬生.關于正交異性鋼橋面板的疲勞[J].橋梁建設,1996,35(2):9,10-15.

　　[4]張清華,卜一之,李喬.正交異性鋼橋面板疲勞問題的研究進展[J].中國公路學報,2017,30(3):14-30,39.

　　[5]田康.正交異性鋼橋面板構(gòu)造參數(shù)優(yōu)化設計及縱肋與面板連接疲勞性能研究[D].北京:中國鐵道科學研究院,2017.

　　推薦期刊：《橋梁建設》現(xiàn)由中國鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團有限公司主辦，中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司出版。