大勝關長江大橋輕軌托架與整體節點連接疲勞及穩定性研究

王 霆,肖 林,岳奕町,李小珍

(1.南京地鐵建設有限責任公司,南京 210017； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

相較于普通節點，整體節點剛度更大、現場拼裝工作量小，近年來得到深入研究并在新建大跨度鋼橋中廣泛應用[1-6]。整體節點中存在大量焊縫，加之荷載較大、受力復雜，其疲勞性能受到廣泛關注并進行了大量研究[7-13]。從既有研究成果看，整體節點中節點板與平聯或橫梁板件連接處是整體節點疲勞性能的薄弱環節，但因整體節點構造形式對其疲勞性能影響較大，不同橋梁中整體節點的疲勞性能仍有必要深入研究。

南京大勝關大橋承載兩線滬蓉鐵路、兩線高速鐵路。此外，兩邊桁的外側各外挑5.2 m懸臂托架，支撐南京地鐵軌道交通。輕軌托架采用高強螺栓與下弦節點引出板連接，節點引出板與下弦整體節點通過角焊縫連接(圖1)。輕軌中心線距離節點中心線3.2 m，輕軌結構的自重、輕軌列車荷載引起的節點荷載較大。

圖1 輕軌托架構造(單位：mm)

在列車活載作用下，南京大勝關大橋軌道交通托架上翼緣、上翼緣與節點連接角焊縫以及節點板的疲勞應力幅較大，其疲勞性能值得關注；此外，托架結構高腹板的穩定性也會影響行車安全[14-17]。現采用試驗與分析相結合的方法，對輕軌托架與主桁節點連接構造的疲勞性能及穩定性進行研究。

1 疲勞試驗

1.1 試驗模型設計

實橋托架結構尺寸與荷載均較大，難以進行疲勞加載。考慮該結構疲勞薄弱環節為托架上翼緣受拉區域(圖1虛線框內)，按照應力等效原則設計該節點上翼緣區域的縮尺試驗模型。基于圣維南原理，試驗模型包括：整體節點、節點引出板及托架橫梁。根據實驗室場地條件與加載能力，試驗模型的縮尺比例取1∶2。焊接結構的疲勞性能主要取決于焊縫的細節，為保持各焊縫焊接細節與實橋一致，各板件厚度與實橋一致，而板件寬(高)取實橋的1/4。試驗模型所用鋼材、焊材以及焊接工藝均與實橋結構一致。試驗模型構造見圖2。

圖2 試驗模型構造(單位：mm)

試驗加載時將模型倒置，整體節點部分通過螺桿錨固在地面，在托架橫梁左端經連接柱與MTS作動器相連，通過MTS施加正弦疲勞荷載。試驗加載布置如圖3所示。

圖3 試驗模型加載

1.2 疲勞試驗荷載

首先，通過全橋桿系有限元分析得到了輕軌托架與整體節點連接處的彎矩及剪力時間歷程曲線，如圖4所示。

圖4 托架節點內力歷程曲線

該軌道交通線路的設計壽命為100年，列車運營時間區段為每日早6:00～凌晨0:00，按遠期運營情況保守處理取最小發車時間間隔為2 min，由此得到設計期內該結構的列車通過次數為1 971萬次。結合設計期內列車通過次數，得到托架橫梁與整體節點連接處的內力頻值譜，其值如表1所示。

根據Miner線性損傷理論，將前面得到的內力頻值譜中的變幅內力幅值ΔMi等效為常幅內力幅值ΔM0

(1)

式中，ΔM0為等效常幅循環內力幅；ΔMi為表1所示內力頻值譜中的各水平內力幅值；Σni為與內力幅值ΔMi對應的設計期內內力幅循環作用次數；m為疲勞曲線S-N的斜率，參考Eurocode3[18]取m=3。通過式(1)將變幅內力幅值轉換為200萬循環作用次數下的等效常幅剪力為1 523.1 kN，等效常幅彎矩為4 744.9 kN·m。

表1 托架與整體節點連接處的內力頻值譜

1.3 測點布置

在疲勞試驗中，通過鋼結構表面布置的電阻應變片對應力狀態進行監測。應變測點布置如圖5所示。圖5中共分為A、B、C、D四個區，在A、B區測點布置應變花，C、D區測點布置單向應變片。

圖5 應變測點布置(部分)

1.4 疲勞試驗結果

通過不同疲勞加載次數試驗結構的應力狀態，可從微觀上了解結構可能存在的疲勞損傷情況。圖6、圖7反映了部分測點在不同加載次數下的應力測試結果。由圖6、圖7可見，隨著疲勞加載次數的增大，托架加腋板與節點板連接焊縫周邊測點的荷載-應變曲線的斜率發生變化，測點應力發生重分布。應力分析結果表明，該區域是疲勞易損部位，應力重分布的原因可能是測點附近疲勞損傷，或疲勞應力幅疊加焊接殘余應力后導致測點周邊發生塑性變形。

圖6 測點A12在不同荷載次數下的應變-荷載曲線

圖7 測點A71在不同荷載次數下的應變-荷載曲線

在疲勞試驗結束后，檢查試驗模型未發現宏觀裂紋。在加載過程中，相同荷載下加載端的撓度穩定在4.14 mm左右，表明加載過程中結構剛度變化不大，可以預測在設計壽命期內該構造不會發生疲勞破壞。

疲勞試驗中測得托架翼緣加腋板與節點連接角焊縫的焊腳外側20 mm處(A43測點)的最大疲勞應力幅為76.28 MPa，有限元分析得到該點的正應力幅為80.8 MPa。此細節屬于T形對接角焊縫，按照TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》[19]規定，其疲勞抗力為78 MPa，可見其疲勞抗力滿足規范要求。

2 托架結構穩定性分析

托架采用焊接工字形截面，腹板高度為2.268 m且板件厚度較小，其穩定性需加以研究，對其在彎、剪耦合作用下的極限承載力進行了非線性有限元分析。

2.1 有限元模型

采用ABAQUS建立輕軌托架與節點的三維非線性有限元分析模型。建立的三維模型如圖8(a)所示，有限元模型采用實體單元C3D8，共618845個單元。在有限元模型中對其邊桁下弦桿及邊桁架豎桿斷面施加三個方向的平動位移約束，如圖8(b)所示。

圖8 有限元分析模型

2.2 穩定分析結果

結構的穩定問題可分為分支點失穩或極值點失穩，實際結構由于存在初始缺陷，其穩定問題屬極值點失穩[20]。在分析中考慮材料非線性、結構非線性及初始缺陷，求解結構的極限承載力或穩定系數。分析荷載包括：自重+二恒(軌道板等自重)+輕軌縱梁自重+活載最大彎矩組合。

圖9給出了結構的荷載比例系數曲線。由圖9可知，曲線在LPF(荷載比例系數)=2.877時斜率幾乎趨近于0，將發生極值點失穩。圖9也反映了結構失穩過程中由彈性向塑性行為轉變的過程。

圖10給出了2.877倍分析荷載組合作用下，結構發生極值點失穩時的變形情況。由圖10可見，托架腹板在荷載作用下發生較大外鼓變形，最大值達到51 mm，從而導致整個托架發生側翻失穩。腹板的穩定性是結構的薄弱環節。由于失穩系數高達2.877，托架結構具有足夠的穩定性。

圖10 極值點失穩變形情況(單位：mm)

3 結論

針對在鋼桁梁整體節點外懸挑托架承載軌道交通的新結構形式，采用疲勞試驗及有限元分析對大勝關大橋輕軌托架與整體節點連接的疲勞性能及托架穩定性進行了研究，結論如下。

(1)在設計生命周期內，托架與整體節點連接構造不會發生疲勞開裂，疲勞荷載作用導致疲勞易損區域應力分布發生變化，但未危及結構安全，其疲勞壽命滿足規范要求。

(2)托架腹板是結構失穩的薄弱環節，但在設計荷載下具有足夠的穩定系數。