頂板厚度對鋼橋面板焊縫疲勞強(qiáng)度的影響

蔣 波,吳 俊,李 迪,陳 祥,傅中秋

(1.江蘇泰州大橋有限公司,江蘇泰州 225300;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

頂板厚度對鋼橋面板焊縫疲勞強(qiáng)度的影響

蔣 波1,吳 俊1,李 迪2,陳 祥2,傅中秋2

(1.江蘇泰州大橋有限公司,江蘇泰州 225300;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

針對鋼橋面板頂板與U肋連接細(xì)節(jié)制作20個試驗(yàn)構(gòu)件,采用機(jī)械型振動疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行等幅疲勞加載,通過名義應(yīng)力方法和熱點(diǎn)應(yīng)力法對試件焊縫疲勞性能進(jìn)行評價研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:在本次實(shí)驗(yàn)中,16 mm頂板試件和14 mm頂板試件的疲勞強(qiáng)度相差不大,建議都采用65 MPa名義應(yīng)力等級疲勞強(qiáng)度曲線對其進(jìn)行評價。對于16 mm頂板試件,建議采用100 MPa熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度曲線進(jìn)行評價;對于14 mm頂板試件,建議采用80 MPa熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度曲線進(jìn)行評價。16 mm頂板試件的熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度明顯高于14 mm頂板試件的。16 mm頂板試件的平均有效疲勞壽命比14 mm頂板試件的長約49%,其疲勞壽命顯著增加了。

疲勞試驗(yàn);鋼橋面板;U肋;焊縫

正交異性鋼橋面板因自重輕(約為混凝土橋面板的1/4)、極限承載力大、施工速度快及結(jié)構(gòu)美觀等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁建設(shè)中。正交異性鋼橋面板在中國應(yīng)用較晚,但發(fā)展迅速,近年來已建成了數(shù)座世界級大跨徑橋梁。正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜,又加上焊接造成的殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)本身存在的缺陷以及施工質(zhì)量和直接承受車輪荷載的反復(fù)作用等綜合因素的影響,正交異性鋼橋面板容易產(chǎn)生疲勞損傷[1—4]。

正交異性鋼橋面板中,頂板與U肋連接細(xì)節(jié)是典型的易引起疲勞損傷部位[5]。中國20世紀(jì)90年代建成的虎門大橋也已被發(fā)現(xiàn)頂板與U肋連接細(xì)節(jié)裂紋。頂板與U肋連接細(xì)節(jié)的疲勞裂紋較為隱蔽,起源于焊根處的頂板裂紋,因被U肋遮蓋,難以檢測。疲勞裂紋產(chǎn)生后將影響橋面鋪裝工作性能,導(dǎo)致橋面鋪裝損壞。雨水腐蝕等加劇了鋼橋面板裂紋的擴(kuò)展,對鋼橋危害極大。目前大尺寸正交異性鋼橋面板已成為各國學(xué)者研究的方向,而頂板厚度對于頂板與U肋細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度有較大影響這一論述已被諸多學(xué)者印證,但各國學(xué)者的研究以數(shù)值模擬居多,試驗(yàn)研究仍不滿足工程應(yīng)用與發(fā)展的需要[6—7]。

以中國大跨徑懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?作者擬進(jìn)行局部足尺疲勞模型的試驗(yàn)研究,為鋼橋面板合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

頂板與U肋連接細(xì)節(jié)處萌生于頂板的裂紋,由車輪荷載使得頂板局部彎曲變形所引起,受U肋影響較小,因此試驗(yàn)采用截取U肋腹板部分與頂板的焊接構(gòu)造作為試件。本試驗(yàn)共包含2組試件,每組10個,編號分別為SJ1—1～SJ1—10和SJ2—1～SJ2—10。試件尺寸依據(jù)實(shí)橋設(shè)計(jì)圖紙和類似構(gòu)造細(xì)節(jié)選取,鋼橋面板頂板的厚度分別為14 mm和16 mm,U肋厚度為8 mm,試件尺寸設(shè)計(jì)如圖1所示。

本次試驗(yàn)共有20個試件,為全熔透焊縫連接試件(簡稱為全熔透焊縫試件),由中鐵寶橋(揚(yáng)州)有限公司制造。試件材料采用Q345qD型號鋼材,焊接工藝為CO2氣體保護(hù)焊,與實(shí)橋焊接工藝保持一致。為確定該批試件的焊接質(zhì)量,加工完成后對其進(jìn)行了磁粉探傷檢測,該批次試件檢測合格。

圖1 試件尺寸設(shè)計(jì)示意(單位:mm)Fig.1 Specimen geometry design(units:mm)

試驗(yàn)的加載裝置采用機(jī)械型振動疲勞試驗(yàn)機(jī)[8](如圖2所示)。由于焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要由應(yīng)力幅和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)決定,因此本試驗(yàn)不考慮結(jié)構(gòu)自重等其他初始應(yīng)力的影響,以應(yīng)力幅作為荷載控制指標(biāo)。根據(jù)名義應(yīng)力幅大小,分別進(jìn)行3個等級的加載:55,80和100 MPa。實(shí)際加載時,應(yīng)力幅控制在10%以內(nèi)浮動。加載結(jié)束,以疲勞裂紋開展長度100 mm(即N100)為標(biāo)準(zhǔn)[9]。試件的加載應(yīng)力幅控制在12～20 Hz之間(見表1),加載應(yīng)力幅與試件加載頻率有正相關(guān)性,但各個試件加載應(yīng)力幅對應(yīng)的頻率略有不同。

圖2 疲勞試驗(yàn)加載方式示意Fig.2 Loading method of the fatigue test

表1 SJ1和SJ2系列試件加載參數(shù)Table 1 Loading parameters of SJ1 and SJ2 series specimen

為了研究焊縫附近應(yīng)力幅情況,在焊縫焊趾處左部,按國際焊接學(xué)會規(guī)范(簡稱為IIW規(guī)范)二點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力外推法,布置2個測點(diǎn),編號分別為CD1和CD2。在焊縫中部焊趾與焊根2邊按名義應(yīng)力法各布置1個測點(diǎn)[10],編號分別為CD3和CD4。在焊縫焊趾處右部,按IIW規(guī)范三點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力外推法,布置3個測點(diǎn),編號分別為CD5, CD6和CD7。測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)布置示意Fig.3 Real measuring-point arrangement

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)裂紋開展模式和實(shí)橋開展路徑一致。根據(jù)觀測可知,該疲勞細(xì)節(jié)裂紋開展路徑方式較為統(tǒng)一,均從焊縫焊根處起裂。由于焊接時的工藝質(zhì)量難以掌控,焊縫起裂位置較為隨機(jī),出現(xiàn)裂紋源的個數(shù)也不相同,試件產(chǎn)生的裂紋源多為1～2個,少數(shù)試件產(chǎn)生的裂紋源為2～3個。出現(xiàn)裂紋源后,裂紋源逐漸變大,發(fā)展為裂紋。裂紋擴(kuò)展到一定時期,貫通為一條長裂紋,向垂直于拉應(yīng)力方向擴(kuò)展,裂紋始終沿著焊縫與母材的邊緣擴(kuò)展。疲勞裂紋開展路徑如圖4所示。本次試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖4 疲勞裂紋開展路徑Fig.4 Fatigue crack growing path

從表2中可以看出,2組試件中都有3～4個試件出現(xiàn)沒有疲勞裂紋或者裂紋沒有達(dá)到100 mm的情況,值得留意的是,少數(shù)試件出現(xiàn)疲勞裂紋后并沒有隨著應(yīng)力循環(huán)的增加而增加。由于裂紋位置多在焊根處,檢查和測量都較為困難。經(jīng)過部分試件切割后發(fā)現(xiàn),裂紋在焊根處的擴(kuò)展方向是由焊根處向焊喉方向擴(kuò)展的。由于這種裂紋不直接受到試驗(yàn)機(jī)荷載,雖然出現(xiàn)了裂紋,但擴(kuò)展速度異常的慢,這種現(xiàn)象有待于進(jìn)一步探究。

2.2 頂板厚度對疲勞壽命影響分析

頂板厚度對鋼橋面板頂板與U肋構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能影響較大,但其影響程度還有待研究。對于鋼橋面板頂板與U肋連接焊縫疲勞細(xì)節(jié),在中國尚未出臺相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)疲勞規(guī)范或指南,提供該疲勞細(xì)節(jié)可參考的S—N曲線。參考日本鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)指南[11](簡稱為JSSC)相近疲勞細(xì)節(jié)對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度評價曲線,對此次疲勞試驗(yàn)試件進(jìn)行了評價。

SJ1系列和SJ2系列試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖5所示。從圖5中可以看出,本次試驗(yàn)以裂紋擴(kuò)展長度達(dá)到100 mm的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)作為疲勞破壞的加載循環(huán)次數(shù),所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)全部落在JSSC—F的S—N曲線上方,大部分?jǐn)?shù)據(jù)落在JSSC—E對應(yīng)疲勞強(qiáng)度曲線上方,小部分?jǐn)?shù)據(jù)落在JSSC—E疲勞強(qiáng)度曲線下方,建議這2組試件的名義應(yīng)力疲勞強(qiáng)度曲線采用JSSC—E等級曲線(65 MPa)。

表2 SJ1和SJ2系列試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Fatigue test results of SJ1 and SJ2 series specimens

圖5 SJ1系列和SJ2系列試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.5 Comparison of fatigue test results of SJ1 and SJ2 series specimens

全熔透焊縫的SJ1系列16 mm頂板試件與SJ2系列14 mm頂板試件相比,名義應(yīng)力法數(shù)據(jù)點(diǎn)離散性較好,2組試件的疲勞強(qiáng)度相差不大。在100 MPa的高應(yīng)力幅下,16 mm頂板系列試件疲勞壽命較長,疲勞性能較好;在80 MPa中應(yīng)力幅下,16 mm頂板試件的疲勞壽命大于14 mm頂板試件的,但二者的疲勞壽命相差不大;在55 MPa低應(yīng)力幅下,16 mm頂板試件的疲勞壽命比14 mm頂板試件的長,疲勞性能較好。

SJ1系列和SJ2系列試件兩點(diǎn)外推法的比較如圖6所示。從圖6中可以看出,采用兩點(diǎn)外推法計(jì)算試件的熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度時,SJ2系列16 mm頂板試件數(shù)據(jù)的離散性比SJ1系列14 mm頂板試件數(shù)據(jù)的好。在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評價時,除去失效試件不計(jì),16 mm頂板試件全部落在IIW—100疲勞強(qiáng)度曲線之上,可采用100 MPa強(qiáng)度曲線評價該構(gòu)造細(xì)節(jié)。14 mm頂板試件數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分落在IIW—90疲勞強(qiáng)度曲線之上,但有一個數(shù)據(jù)點(diǎn)落在IIW—90疲勞強(qiáng)度曲線之下,該數(shù)據(jù)點(diǎn)所處位置沒有達(dá)到規(guī)范的要求可以排除該數(shù)據(jù)點(diǎn)。偏安全考慮,建議按照IIW—80疲勞強(qiáng)度曲線,評價14 mm頂板試件的疲勞強(qiáng)度。

圖6 SJ1系列和SJ2系列試件兩點(diǎn)外推法的比較Fig.6 Comparison of SJ1 and SJ2 series specimens fatigue test results using two points method

SJ1系列和SJ2系列試件三點(diǎn)外推法的比較如圖7所示。從圖7中可以看出,采用三點(diǎn)外推法計(jì)算試件的熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度時,SJ2系列16 mm頂板試件數(shù)據(jù)的離散性比SJ1系列14 mm頂板試件數(shù)據(jù)的好。在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評價時,除去失效試件不計(jì),16 mm試件全部落在IIW—100疲勞強(qiáng)度曲線之上,建議可采用100 MPa強(qiáng)度曲線評價該構(gòu)造細(xì)節(jié)。14 mm頂板試件數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分落在IIW—90疲勞強(qiáng)度曲線之上,有一個數(shù)據(jù)點(diǎn)落在IIW—80疲勞強(qiáng)度曲線之上,該數(shù)據(jù)點(diǎn)所處位置沒有達(dá)到規(guī)范的要求可以排除該數(shù)據(jù)點(diǎn)。偏安全考慮,建議按照IIW—80疲勞強(qiáng)度曲線,評價14 mm頂板試件的疲勞強(qiáng)度。

圖7 SJ1系列和SJ2系列試件三點(diǎn)外推法的比較Fig.7 Comparison of SJ1 and SJ2 series specimens fatigue test results using three points method

SJ1和SJ2系列試件有效疲勞壽命的對比見表3。從表3中可以看出,14 mm頂板試件的平均有效疲勞壽命約為541萬次,16 mm頂板試件的平均有效疲勞壽命為809萬次。在疲勞強(qiáng)度相差不大的情況下,16 mm頂板試件的平均疲勞壽命比14 mm頂板試件的平均疲勞壽命長約49%,疲勞壽命顯著增加了?？梢?增加頂板厚度能增加鋼橋面板頂板與U肋連接焊縫構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命,有利于提高其疲勞性能。

表3 SJ1和SJ2系列試件有效疲勞壽命的對比Table 3 Comparison of effective fatigue life of SJ1 and SJ2 series specimens

3 結(jié)論

通過試驗(yàn),將頂板厚度對鋼橋面板頂板與U肋連接焊縫細(xì)節(jié)疲勞性能的影響進(jìn)行了研究,得到的結(jié)論為:

1)通過對比JSSC規(guī)范類似名義應(yīng)力細(xì)節(jié)定義,在本次實(shí)驗(yàn)中,16 mm頂板試件和14 mm頂板試件名義應(yīng)力法疲勞強(qiáng)度相差不大,建議都采用JSSC—F等級(65 MPa)疲勞強(qiáng)度曲線對其進(jìn)行評價。

2)通過對比IIW規(guī)范熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度曲線,在本次試驗(yàn)中,16 mm頂板試件建議采用100 MPa疲勞強(qiáng)度曲線進(jìn)行評價,14 mm頂板試件建議采用80 MPa疲勞強(qiáng)度曲線進(jìn)行評價, 16 mm頂板試件的熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度大于14 mm頂板試件的。

3)16 mm頂板試件的疲勞壽命比14 mm頂板試件的長約49%,其疲勞壽命顯著增加了。

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The influence of the roof thickness on the fatigue strength of the steel bridge deck weld

JIANG Bo1,WU Jun1,LI Di2,CHEN Xiang2,FU Zhong-qiu2
(1.Jiangsu Taizhou Bridge Co.,Ltd.,Taizhou 225300,China;2.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to study the fatigue performance of steel bridge deck plate and U-rib detail,a mechanical vibration fatigue testing machine was used to test twenty specimens for constant amplitude fatigue loading,the fatigue performance of the specimens was evaluated with nominal stress method and hot spot method.The test results show that the differences between fatigue strength of specimens with 16 mm deck plate and with 14 mm deck plate are small.It is suggested that fatigue strength of the two test specimens’detail should be set at 65 MPa for nominal stress specimens.The results suggest that fatigue strength of the test specimens with 16 mm deck plate should be set at 100 MPa for hot spot stress and fatigue strength of the test specimens with 14 mm deck plate should be set at 80 MPa for hot spot stress.The strength of specimens with 16 mm deck plate is obviously higher than that with 14 mm deck plate.The average effective fatigue life of specimens with 16 mm deck plate is 49%more than that with 14 mm deck plate,the fatigue life of specimens improves obviously.

thickness of deck plate;steel bridge deck;U-rib;weld joint

U441+.4

A

1674—599X(2015)04—0049—06

2015—03—25

江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014Y02);泰州大橋技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(2013)

蔣 波(1978—),男,江蘇泰州大橋有限公司高級工程師。