加載波形對鋼橋典型構造細節疲勞性能的影響

王 麗，張玉玲，張 雯，榮 嶠，田 越

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

加載波形對鋼橋典型構造細節疲勞性能的影響

王 麗1，2，張玉玲1，2，張 雯1，2，榮 嶠1，2，田 越1，2

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

對既有鐵路鋼橋構造細節進行梳理分析，選擇十字形焊接接頭、蓋板端焊縫、U肋縱向角焊縫等典型的構造細節，研究其在不同加載波形條件下的疲勞性能。首先，根據三種典型構造細節在實橋中的受力特征和實驗室加載條件，設計能夠反映實橋受力特征的試件，建立有限元模型，驗證試件設計的合理性，掌握試件的應力分布狀態和應力集中程度。然后，開展矩形波和正弦波加載條件下三種典型構造細節的疲勞試驗。最后，對三種典型構造細節的疲勞試驗結果進行分析，掌握了加載波形對于構造細節疲勞性能的影響程度，可為我國鐵路鋼橋的設計和評估提供依據。

鋼橋 構造細節 疲勞性能 矩形波 正弦波

一般的疲勞試驗機加載波形為正弦波。在橋梁工程領域，實際列車經過橋梁時所產生的荷載波形是不規則的，應力幅值也是隨著車型和載重的變化而變化，對于鋼桁梁的不同桿件其加載方式也不相同，并不能完全用正弦波來代替。基于此，選擇實橋中典型構造細節，開展正弦波、矩形波加載條件下的疲勞試驗，以掌握加載波形對構造細節疲勞性能的影響，為鋼橋的設計和評估提供依據。

1 鐵路鋼橋典型構造細節分析

目前我國既有鋼橋主要包括5種橋型:①上承式焊接板梁;②箱型鋼板梁;③下承式栓焊鋼板梁;④下承式栓焊鋼桁梁;⑤鉚接橋。所涉及的橋面系包括:①縱橫梁明橋面系;②鋼箱梁橋面;③正交異性鋼橋面板。構造細節有7種:①不等厚對接焊構造;②蓋板端焊縫構造;③縱向角焊縫構造;④十字形焊接接頭構造(傳力和不傳力);⑤高強螺栓連接構造;⑥鉚接構造;⑦正交異性鋼橋面板構造。典型構造的疲勞強度見表1［1-2］。

從表1中可以看出，蓋板端焊縫構造和十字形焊接接頭構造的疲勞強度與其它構造相比偏低，在實際工程中出現裂紋也較多。此外，正交異性鋼橋面板構造也是出現疲勞裂紋較多的構造之一。

表1 既有鋼橋典型構造細節

2 典型構造細節疲勞試件的設計及受力特征分析

選擇十字形焊接接頭(不傳力)構造、蓋板端焊縫構造和正交異性鋼橋面板構造，開展矩形波和正弦波加載條件下的疲勞性能試驗研究。

2.1 試件設計

三種試件設計見圖1，采用Q345qD鋼板，制造工藝與實橋相同，采用CO2氣體保護焊。

2.2 受力特征分析

為了掌握試件的應力分布狀況，采用ANSYS建立有限元模型，選擇Solid95三維20節點實體單元，單元

尺寸控制在2.5 mm左右。計算時，三種試件施加的外力均為拉力，十字形焊接接頭、蓋板端焊縫試件、U肋縱向角焊縫試件拉力分別為200，150，40 kN。試件具體約束、單元劃分和應力分布情況見圖2—圖4。

圖1 試件(單位:mm)

從圖2(b)可以看出，十字形焊接接頭試件角焊縫附近區域應力最大為274.9 MPa，發生在附連件與主板焊縫焊趾處，該處名義應力為178.6 MPa，應力集中系數為1.540。從圖3(b)可以看出，試件從夾持部位向焊趾部位應力逐漸增大，到焊趾端部達到最大，為320.8 MPa，該處名義應力為178.6 MPa，應力集中系數為1.796。從圖4(b)和圖4(c)可以看出，U肋從底部焊趾處向頂部應力逐漸減小，到U肋頂部由拉應力轉換為壓應力，最大應力為280.6 MPa，發生在U肋焊趾處，該處平均應力為132.6 MPa，應力集中系數為2.116，面板在U肋內側受彎，內表面受拉，外表面受

壓，最大應力為162.7 MPa，發生在焊趾處。

圖2 十字形焊接接頭試件(單位:MPa)

圖3 蓋板端焊縫試件(單位:MPa)

圖4 U肋縱向角焊縫試件(單位:MPa)

3 加載波形對構造細節疲勞性能的影響研究

3.1 疲勞試驗基本情況

三種典型構造細節的疲勞試驗，均在高速鐵路軌道技術國家重點實驗室的橋梁結構實驗室內進行。其中，十字形焊接接頭試件和蓋板端焊縫試件均在±500 kN液壓伺服疲勞試驗機上進行，在保證達到最佳加載波形的前提下，將加載力斜向上升的時間盡量縮短，使其最大程度上接近于矩形波，疲勞試驗最小控制噸位取5 kN，進行拉—拉循環加載，以試件發生疲勞斷裂作為失效判據［3-5］，試驗加載波形如圖5所示。

圖5 ±500 kN液壓伺服機加載波形示意

U肋縱向角焊縫構造的疲勞試驗在 ±200 kN液壓伺服疲勞試驗機上進行，為拉—壓循環，應力比為－1，加載波形見圖6。可以看出，±200 kN液壓伺服疲勞試驗機基本可以實現矩形波加載，但是在最大、最小值持續時間內會有小幅的波動。

圖6 ±200 kN液壓伺服機加載波形示意

3.2 疲勞試驗結果

1)十字形焊接接頭構造

對十字形焊接接頭構造完成了5根試件的矩形波加載試驗和5根試件的正弦波加載試驗［6］，疲勞試件典型斷口見圖7。

圖7 十字形焊接接頭構造疲勞試件典型斷口

通過對試驗數據進行擬合分析，得到了矩形波加載條件下十字形焊接接頭構造疲勞試驗的S－N曲線方程為

式中:N為循環次數，Δσ為應力幅，σ0為試驗得到的疲勞強度。

正弦波加載條件下十字形焊接接頭構造疲勞試驗的S－N曲線方程為

規范中規定十字形焊接接頭構造疲勞試驗S－N曲線方程為

試件疲勞試驗數據及規范規定S－N曲線見圖8。

圖8 十字形焊接接頭試件試驗S－N曲線

2)蓋板端焊縫構造

對蓋板端焊縫構造共進行了6根試件的矩形波加載試驗和5根試件的正弦波加載試驗。疲勞試件典型斷口見圖9。

通過對試驗數據進行擬合分析，得到了矩形波加載條件下蓋板端焊縫構造的S－N曲線方程為

正弦波加載條件下蓋板端焊縫構造的S－N曲線

圖9 蓋板端焊縫構造疲勞試件典型斷口

方程為

規范中規定蓋板端焊縫構造的S－N曲線方程為

試件疲勞試驗數據及規范規定S－N曲線見圖10。

圖10 蓋板端焊縫試件試驗S－N曲線

3)U肋縱向角焊縫構造

對U肋縱向角焊縫構造共進行了3根試件的矩形波加載試驗和4根試件的正弦波加載試驗，試件典型斷口照片見圖11。

圖11 U肋縱向角焊縫構造疲勞試件斷口特征

通過對試驗數據進行擬合分析，得到了矩形波加載條件下U肋縱向角焊縫構造疲勞試驗的S－N曲線

方程為

正弦波加載條件下U肋縱向角焊縫構造疲勞試驗的S－N曲線方程為

試件疲勞試驗數據見圖12。

圖12 U肋縱向角焊縫試件試驗S－N曲線

3.3 加載波形對構造細節疲勞性能的影響分析

從破壞特征、疲勞強度等方面對不同加載波形條件下構造細節的疲勞特點進行分析，發現:

1)加載波形對于試件破壞特征沒有明顯影響。十字形焊接接頭試件均從角焊縫焊趾處有焊接缺陷的地方起裂，起裂之后沿著主板板寬和板厚方向擴展，直至發生疲勞破壞。蓋板端焊縫試件均從蓋板焊縫焊趾中部起裂，起裂之后沿著主板板寬和板厚方向擴展，直至發生疲勞破壞。U肋縱向角焊縫試件矩形波加載條件下均從U肋焊趾處發生斷裂，正弦波加載條件下從U肋焊趾處斷裂與從面板焊趾處斷裂的概率相當。

2)從加載波形對于宏觀斷口特征的影響來看，在同樣應力幅值下，矩形波加載條件下應力循環次數少，所以斷口平滑區域一般大于正弦波加載。

3)從循環破壞次數來看，同一應力幅值作用下矩形波的次數小于正弦波的次數，不同構造兩者的比值有所不同。

4)從200萬次疲勞強度來看，矩形波加載試件的疲勞強度小于正弦波加載，二者的比值十字形焊接接頭為0.737，蓋板端焊縫構造為0.972，U肋縱向角焊縫為0.341。

5)十字形焊接接頭試件矩形波加載的疲勞強度比規范值低約6%;蓋板端焊縫試件的疲勞強度均大于規范值。當加載波形接近于矩形波時，十字形焊接接頭構造采用規范值進行設計已無法滿足疲勞強度安全性要求;蓋板端焊縫構造采用規范值進行設計仍可

滿足疲勞強度安全性要求。

4 結論

對十字形焊接接頭(不傳力)、蓋板端焊縫和U肋縱向角焊縫三種構造，開展了矩形波和正弦波加載條件下的疲勞試驗。結論如下:

1)矩形波作用下試件的200萬次疲勞強度較正弦波有所降低，不同的構造降低的幅度并不相同。對本文所涉及的三種構造細節，矩形波的疲勞強度約為正弦波的0.341～0.972。

2)加載波形對于疲勞強度較高的構造細節的影響較大，在矩形波加載條件下疲勞強度大的構造細節疲勞強度降低幅度大，而疲勞強度相對較小的構造細節降低幅度相對較小。

3)在鋼橋中直接承受輪載的構造或者個別其他構造出現缺陷導致局部剛度增大，使受力波形接近于矩形波時，應根據本次試驗結果對疲勞強度進行折減，以保證其疲勞可靠性。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］ 鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［3］霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［4］張玉玲.大型鐵路焊接鋼橋疲勞斷裂性能與安全設計［D］.北京:清華大學，2004.

［5］王麗，張玉玲.隨機變幅疲勞荷載作用下鋼橋節點板交叉焊縫疲勞性能試驗研究［J］.鐵道建筑，2013(11):1-4.

［6］中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.新型主桁結構特殊構造抗疲勞性能與試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，2012.

Influence of loading waveform on fatigue behavior of typical structural details of steel bridge

WANG Li1，2，ZHANG Yuling1，2，ZHANG Wen1，2，RONG Qiao1，2，TIAN Yue1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

T he details of welds in the existing steel railway bridges were summaried.T hree typical welds including cross shaped weld，flat end weld and longitudinal fillet weld on U rib.T he fatigue behavior under different loading waveforms were stuied.First of all，test specimens were designed based on the stress status of the three welds in bridges and the loading conditions in laboratory.T he finite element model was established to validate the rationality of design and grasp the stress distribution and concentration.Next，the fatigue tests under the rectangular wave and sine wave loading condition were carried out on the three types of welds.Finally，the fatigue test results were analyzed，the loading waveform effects on fatigue behavior of three details were grasped.T he results may provide the basis for the design and evaluation of China's railway steel bridge.

Steel bridge;Structural detail;Fatigue behavior;Rectangular wave;Sine wave

U441+.4;U448.36

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.01

1003-1995(2015)09-0001-05

(責任審編 李付軍)

2015-04-12;

:2015-05-12

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2013G001-A-1)

王麗(1981— )，女，山西寧武人，助理研究員，碩士。