下面文章通過(guò)對(duì)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(yàn)，確定了兩者的S-N曲線，研究了兩者的疲勞強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。通過(guò)建立三官堂大橋?qū)崢虻墓?jié)段有限元模型，采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)S-N曲線對(duì)三官堂大橋橋面板工地接頭進(jìn)行了驗(yàn)算，確認(rèn)了栓焊接頭在實(shí)際工程條件下優(yōu)于焊接接頭。

　　關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板,U肋對(duì)接接頭,疲勞開(kāi)裂,栓焊連接,疲勞試驗(yàn)

　　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(xué)和經(jīng)濟(jì)性能，自20世紀(jì)50年代被發(fā)明以后，就得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但正交異性鋼橋面板焊縫眾多，在使用過(guò)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(kāi)裂，行車條件惡化乃至直接影響結(jié)構(gòu)安全。

　　1試件設(shè)計(jì)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(qiáng)螺栓連接，因其焊接因在現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)裂�？v向加勁肋的高強(qiáng)螺栓連接晚于焊接出現(xiàn)，高強(qiáng)螺栓連接接頭雖然具有較高的疲勞強(qiáng)度，但采用高強(qiáng)螺栓連接需要縱向加勁肋下翼緣開(kāi)設(shè)手孔，手孔的開(kāi)設(shè)嚴(yán)重削弱了U肋的截面。

　　因此需要對(duì)上述兩種連接方式進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)橋一致。焊接與栓焊連接組.個(gè)制作了六個(gè)試件，分別編號(hào)為AW1~AW6(ALL-WELD)和BW1-BW6(BOLT-WELD)。

　　為確保試驗(yàn)中試件其他部位不先于縱肋對(duì)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(kāi)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(shè)置鉸支座的方式。

　　栓焊接頭連接的試件采用10.9級(jí)M22*65高強(qiáng)螺栓，接頭每側(cè)6個(gè)螺栓，拼接板厚度8mm，高強(qiáng)螺栓接頭拼接區(qū)域噴涂富鋅防滑涂料。經(jīng)檢測(cè)，制作試件所用的高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)為0.14，高強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)和疲勞試驗(yàn)

　　對(duì)焊接試件，在面板對(duì)接焊縫，嵌補(bǔ)段兩端共三個(gè)截面上粘貼應(yīng)變片，每個(gè)截面粘貼七個(gè)應(yīng)變片，其中五個(gè)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(yīng)變片因正對(duì)加載裝置，無(wú)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(gè)應(yīng)變測(cè)量截面的下翼緣中心線處設(shè)置位移傳感器。對(duì)栓焊試件，在接頭兩側(cè)橫隔板中心線截面處粘貼應(yīng)變片，應(yīng)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(yīng)變片，在栓接試件U肋端部面板對(duì)接焊縫過(guò)焊孔處按照熱點(diǎn)應(yīng)力法測(cè)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(yīng)變片。

　　在兩側(cè)橫隔板中心線截面處下翼緣中心位置設(shè)置位移傳感器。試驗(yàn)時(shí)在試件正中設(shè)置一鋼制滾軸并在作動(dòng)器上安裝靜載試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)的500kN作動(dòng)器，焊接試件分10級(jí)逐級(jí)加載至300kN，栓焊試件分14級(jí)逐級(jí)加載至420kN，記錄每級(jí)荷載下個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

　　在靜載試驗(yàn)完成后拆除預(yù)期破壞部位的應(yīng)變片以免影響觀察裂紋，然后開(kāi)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(kāi)始施加，隨后逐漸根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)狀況調(diào)整荷載，使得數(shù)據(jù)點(diǎn)基本均勻分布。在開(kāi)始施加疲勞荷載后，每加載兩小時(shí)仔細(xì)觀察試件各處焊縫，確認(rèn)試件是否開(kāi)裂，如有開(kāi)裂，則記錄首次發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)的加載次數(shù)，用粉筆標(biāo)記裂紋尖端，并記錄加載時(shí)間。發(fā)現(xiàn)裂紋后縮短觀察時(shí)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(wú)法繼續(xù)加載時(shí)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(shí)向上發(fā)展和沿下翼緣擴(kuò)展，并最終導(dǎo)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(kuò)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(kuò)展至螺栓孔后無(wú)法繼續(xù)擴(kuò)展，直至螺栓孔對(duì)側(cè)形成新的疲勞源，在裂紋擴(kuò)展至螺栓孔時(shí)，部分高強(qiáng)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(yīng)力出現(xiàn)在不同的構(gòu)造處，應(yīng)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(jìn)行對(duì)比。從圖中可以看出，在同等荷載的情況下，栓焊接頭疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于焊接接頭，采用與《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD64-2015)》中給出的構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線形同的形式對(duì)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行回歸。

　　3實(shí)橋驗(yàn)算

　　根據(jù)實(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)稱邊界條件。

　　4結(jié)論

　　現(xiàn)有的技術(shù)和施工條件下，U肋對(duì)接接頭處易出現(xiàn)襯墊板襯墊板在焊接過(guò)程中受熱變形，導(dǎo)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(kāi)設(shè)造成了U肋截面的削弱，但在不對(duì)手孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的情況下，栓焊接頭的靜強(qiáng)度不低于焊接接頭，且栓焊接頭疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于栓接接頭。栓焊接頭的200萬(wàn)次加載壽命加載荷載約比焊接接頭高61.5%。

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