頂板厚度對鋼橋面板焊縫疲勞強度的影響

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.河海大學土木與交通學院,江蘇南京 210098)

頂板厚度對鋼橋面板焊縫疲勞強度的影響

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.河海大學土木與交通學院,江蘇南京 210098)

針對鋼橋面板頂板與U肋連接細節制作20個試驗構件,采用機械型振動疲勞試驗機進行等幅疲勞加載,通過名義應力方法和熱點應力法對試件焊縫疲勞性能進行評價研究。試驗結果表明:在本次實驗中,16 mm頂板試件和14 mm頂板試件的疲勞強度相差不大,建議都采用65 MPa名義應力等級疲勞強度曲線對其進行評價。對于16 mm頂板試件,建議采用100 MPa熱點應力疲勞強度曲線進行評價;對于14 mm頂板試件,建議采用80 MPa熱點應力疲勞強度曲線進行評價。16 mm頂板試件的熱點應力疲勞強度明顯高于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;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、施工速度快及結構美觀等優點,已被廣泛應用于大跨度橋梁建設中。正交異性鋼橋面板在中國應用較晚,但發展迅速,近年來已建成了數座世界級大跨徑橋梁。正交異性鋼橋面板構造復雜,又加上焊接造成的殘余應力、結構本身存在的缺陷以及施工質量和直接承受車輪荷載的反復作用等綜合因素的影響,正交異性鋼橋面板容易產生疲勞損傷[1—4]。

正交異性鋼橋面板中,頂板與U肋連接細節是典型的易引起疲勞損傷部位[5]。中國20世紀90年代建成的虎門大橋也已被發現頂板與U肋連接細節裂紋。頂板與U肋連接細節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。疲勞裂紋產生后將影響橋面鋪裝工作性能,導致橋面鋪裝損壞。雨水腐蝕等加劇了鋼橋面板裂紋的擴展,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者研究的方向,而頂板厚度對于頂板與U肋細節的疲勞強度有較大影響這一論述已被諸多學者印證,但各國學者的研究以數值模擬居多,試驗研究仍不滿足工程應用與發展的需要[6—7]。

以中國大跨徑懸索橋為工程背景,作者擬進行局部足尺疲勞模型的試驗研究,為鋼橋面板合理設計提供依據。

1 試驗概況

頂板與U肋連接細節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,因此試驗采用截取U肋腹板部分與頂板的焊接構造作為試件。本試驗共包含2組試件,每組10個,編號分別為SJ1—1～SJ1—10和SJ2—1～SJ2—10。試件尺寸依據實橋設計圖紙和類似構造細節選取,鋼橋面板頂板的厚度分別為14 mm和16 mm,U肋厚度為8 mm,試件尺寸設計如圖1所示。

本次試驗共有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氣體保護焊,與實橋焊接工藝保持一致。為確定該批試件的焊接質量,加工完成后對其進行了磁粉探傷檢測,該批次試件檢測合格。

圖1 試件尺寸設計示意(單位:mm)Fig.1 Specimen geometry design(units:mm)

試驗的加載裝置采用機械型振動疲勞試驗機[8](如圖2所示)。由于焊接結構的疲勞壽命主要由應力幅和應力循環次數決定,因此本試驗不考慮結構自重等其他初始應力的影響,以應力幅作為荷載控制指標。根據名義應力幅大小,分別進行3個等級的加載:55,80和100 MPa。實際加載時,應力幅控制在10%以內浮動。加載結束,以疲勞裂紋開展長度100 mm(即N100)為標準[9]。試件的加載應力幅控制在12～20 Hz之間(見表1),加載應力幅與試件加載頻率有正相關性,但各個試件加載應力幅對應的頻率略有不同。

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

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

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

圖3 測點布置示意Fig.3 Real measuring-point arrangement

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

本次試驗裂紋開展模式和實橋開展路徑一致。根據觀測可知,該疲勞細節裂紋開展路徑方式較為統一,均從焊縫焊根處起裂。由于焊接時的工藝質量難以掌控,焊縫起裂位置較為隨機,出現裂紋源的個數也不相同,試件產生的裂紋源多為1～2個,少數試件產生的裂紋源為2～3個。出現裂紋源后,裂紋源逐漸變大,發展為裂紋。裂紋擴展到一定時期,貫通為一條長裂紋,向垂直于拉應力方向擴展,裂紋始終沿著焊縫與母材的邊緣擴展。疲勞裂紋開展路徑如圖4所示。本次試驗結果見表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個試件出現沒有疲勞裂紋或者裂紋沒有達到100 mm的情況,值得留意的是,少數試件出現疲勞裂紋后并沒有隨著應力循環的增加而增加。由于裂紋位置多在焊根處,檢查和測量都較為困難。經過部分試件切割后發現,裂紋在焊根處的擴展方向是由焊根處向焊喉方向擴展的。由于這種裂紋不直接受到試驗機荷載,雖然出現了裂紋,但擴展速度異常的慢,這種現象有待于進一步探究。

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肋構造細節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肋連接焊縫疲勞細節,在中國尚未出臺相關鋼結構疲勞規范或指南,提供該疲勞細節可參考的S—N曲線。參考日本鋼結構疲勞設計指南[11](簡稱為JSSC)相近疲勞細節對應的疲勞強度評價曲線,對此次疲勞試驗試件進行了評價。

SJ1系列和SJ2系列試驗結果的比較如圖5所示。從圖5中可以看出,本次試驗以裂紋擴展長度達到100 mm的應力循環次數作為疲勞破壞的加載循環次數,所有試驗數據點全部落在JSSC—F的S—N曲線上方,大部分數據落在JSSC—E對應疲勞強度曲線上方,小部分數據落在JSSC—E疲勞強度曲線下方,建議這2組試件的名義應力疲勞強度曲線采用JSSC—E等級曲線(65 MPa)。

表2 SJ1和SJ2系列試件疲勞試驗結果Table 2 Fatigue test results of SJ1 and SJ2 series specimens

圖5 SJ1系列和SJ2系列試驗結果的比較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,名義應力法數據點離散性較好,2組試件的疲勞強度相差不大。在100 MPa的高應力幅下,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系列試件兩點外推法的比較如圖6所示。從圖6中可以看出,采用兩點外推法計算試件的熱點應力疲勞強度時,SJ2系列16 mm頂板試件數據的離散性比SJ1系列14 mm頂板試件數據的好。在進行疲勞強度評價時,除去失效試件不計,16 mm頂板試件全部落在IIW—100疲勞強度曲線之上,可采用100 MPa強度曲線評價該構造細節。14 mm頂板試件數據點大部分落在IIW—90疲勞強度曲線之上,但有一個數據點落在IIW—90疲勞強度曲線之下,該數據點所處位置沒有達到規范的要求可以排除該數據點。偏安全考慮,建議按照IIW—80疲勞強度曲線,評價14 mm頂板試件的疲勞強度。

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

SJ1系列和SJ2系列試件三點外推法的比較如圖7所示。從圖7中可以看出,采用三點外推法計算試件的熱點應力疲勞強度時,SJ2系列16 mm頂板試件數據的離散性比SJ1系列14 mm頂板試件數據的好。在進行疲勞強度評價時,除去失效試件不計,16 mm試件全部落在IIW—100疲勞強度曲線之上,建議可采用100 MPa強度曲線評價該構造細節。14 mm頂板試件數據點大部分落在IIW—90疲勞強度曲線之上,有一個數據點落在IIW—80疲勞強度曲線之上,該數據點所處位置沒有達到規范的要求可以排除該數據點。偏安全考慮,建議按照IIW—80疲勞強度曲線,評價14 mm頂板試件的疲勞強度。

圖7 SJ1系列和SJ2系列試件三點外推法的比較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。可見,增加頂板厚度能增加鋼橋面板頂板與U肋連接焊縫構造細節的疲勞壽命,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 結論

通過試驗,將頂板厚度對鋼橋面板頂板與U肋連接焊縫細節疲勞性能的影響進行了研究,得到的結論為:

1)通過對比JSSC規范類似名義應力細節定義,在本次實驗中,16 mm頂板試件和14 mm頂板試件名義應力法疲勞強度相差不大,建議都采用JSSC—F等級(65 MPa)疲勞強度曲線對其進行評價。

2)通過對比IIW規范熱點應力疲勞強度曲線,在本次試驗中,16 mm頂板試件建議采用100 MPa疲勞強度曲線進行評價,14 mm頂板試件建議采用80 MPa疲勞強度曲線進行評價, 16 mm頂板試件的熱點應力疲勞強度大于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

江蘇省交通科學研究計劃項目(2014Y02);泰州大橋技術開發項目(2013)

蔣 波(1978—),男,江蘇泰州大橋有限公司高級工程師。