模數式橋梁伸縮裝置疲勞性能分析

陶 斌

(山西省交通新技術發展有限公司 太原市 030012)

0 引言

橋梁伸縮裝置長期承受車輛荷載的作用，再加上環境因素的影響，很容易產生疲勞破壞。橋梁伸縮裝置損壞不僅影響交通安全，還會造成橋梁結構破壞，進而降低橋梁使用壽命[1]。近年來，隨著我國橋梁施工技術的發展進步，出現了很多大跨徑橋梁，進而推動了模數式橋梁伸縮裝置的發展和應用。這類伸縮裝置技術含量高、施工難度大，施工方法選擇不當不僅會降低其使用壽命，還會造成橋梁結構的破壞[2]。另外，模數式橋梁伸縮裝置疲勞性能直接與使用壽命相關，結合杭瑞高速公路北盤江大橋GQF1120型伸縮裝置應用實踐，制作試件開展疲勞試驗分析疲勞循環次數對應變和撓度的影響，確定疲勞幅值與疲勞壽命之間的關系。

1 工程概況

杭瑞高速公路北盤江大橋位于貴州和云南兩省交界處，大橋全長1341.4m，建設總投資10.28億元。橋梁設計車速80km/h，采用雙向四車道高速公路標準設計。北盤江大橋橋面到谷底垂直高速達565m，大橋東、西兩岸主橋墩高度分別為269m和247m，最大跨度為720m，為跨徑世界第二大鋼桁梁斜拉橋，世界最高橋梁。橋梁設置了4條GQF1120型伸縮裝置，為模數式橋梁伸縮縫，最大伸縮量為1120mm。左右兩幅各布置兩條伸縮縫，分別設置在0#臺和3#臺。單幅伸縮縫縫體長度為12.25m，分幅施工，左右兩幅伸縮縫施工完成后進行縫體對接。為了確定模數式橋梁伸縮裝置的疲勞性能，制作試件開展疲勞試驗進行分析，并確定其適用性。

2 模數式橋梁伸縮裝置疲勞試驗方案

2.1 試件制作

本項目選取GQF1120 型伸縮裝置作為研究對象，制作三組試件，編號為SF-1、SF-2、SF-3。每個試件有一根中梁和四根橫梁組成，中梁和橫梁材料均為Q345鋼，中梁長4 m、橫梁長54 cm，四根橫梁等間距布置在中梁上，間距為98 cm。中心梁凹槽處安裝彈性密封條，橫梁和中梁采用全熔透焊接，并安裝縱向加強筋補強，試件如圖1所示。焊接后對焊縫外觀、焊縫尺寸進行檢測，并采用超聲波無損檢測對焊縫質量進行檢測，反射波幅位于Ⅰ區，焊縫質量評定為Ⅰ級，滿足《鋼結構焊接規范》(GB 50661—2011)的要求。

圖1 模數式伸縮裝置試件

2.2 測點布置

為了準確檢測試驗過程中試件的應變和撓度變化，在試件上部布置測點，分別固定應變片和百分表[3]。應變片用于對橫梁和中梁的應變進行測量，試件表面必須光滑無損壞。應變片長度為100 mm，電阻120±0.3 Ω，檢測數據通過TDS-530靜態數據采集儀收集。應變片粘貼前對試件表面進行打磨，清洗擦拭干凈后方可粘貼。橫梁上部應變片粘貼間隔為60 mm，編號為H1～H12，中梁應變片粘貼間隔為75 mm，編號為Z1～Z15。百分表分別布置在中梁兩端、每跨跨中位置、兩側橫梁和中梁連接處，數量為7個，編號為L1～L7。應變片和百分表布置如圖2所示。

圖2 疲勞試驗測點布置示意圖

2.3 疲勞試驗加載方案

試驗時通過調整支撐架和試件的位置使橫梁均處于基座的斜面上，然后通過螺桿和壓板將試件橫梁固定。在中梁上部焊接楔形鋼塊，架上分配梁，然后用三角架固定分配梁。試驗加載時，荷載首先作用于分配梁上，在水平方向和垂直方向分解為兩個分力，模擬伸縮縫在車輛荷載作用下的受力狀態。試驗設備選擇MTS液壓疲勞機，試件加載頻率為2.5Hz，加載方式為正弦波等幅加載。每加載10萬次停止疲勞試驗，然后進行最大靜力試驗，做好中梁和橫梁應變和撓度檢測值記錄。試驗中檢查試件焊縫位置是否出現裂紋，如出現記錄裂紋的長度、位置等信息，達到疲勞破壞標準時即停止試驗，破壞標準按NCHRP-402報告中的相關規定執行，疲勞試驗加載如表1所示，試驗加載如圖3所示。

表1 疲勞試驗加載情況

圖3 疲勞試驗加載

3 伸縮裝置疲勞試驗結果分析

3.1 撓度檢測結果分析

在疲勞試驗中，收集不同疲勞加載循環次數下試件上部各測點撓度變化情況，分析循環次數對撓度變化的影響。為確定試件疲勞壽命，SF-3試件疲勞循環加載次數最多，選其作為研究對象，分析不同位置撓度變化規律。選取L3和L5號測點數據進行研究，繪制荷載-撓度曲線如圖4和圖5所示。

圖4 L3測點荷載-撓度曲線

分析圖4所示L3測點荷載-撓度曲線變化情況，隨著疲勞加載循環次數的增加撓度不斷提高，尤其在0～80萬次、320萬次～400萬次之間試件撓度出現了明顯變化。L5測點的撓度變化主要與第三和第四橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷有關，而第四橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷主要發生在循環次數為80～160萬次，因此L5測點的撓度變化主要與第三橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷有關。這說明第三橫梁與中梁的焊接接頭在循環次數為0～80萬次之間出現了明顯的疲勞損傷，并隨著疲勞荷載循環次數的增加焊接接頭處的裂紋不斷延伸，導致在320萬次～400萬次之間撓度出現了較大的變化。

圖5 L5測點荷載-撓度曲線

分析圖5所示L5測點荷載-撓度曲線變化情況，與L3測點相同，隨疲勞加載循環次數的增加撓度不斷增加，尤其在0～80萬次、160萬次～240萬次試件撓度發生了較大變化。由于焊接部位整體穩定性相對其他部分比較差，因此L3測點撓度值的變化主要與第一和第二橫梁與中梁的焊接接頭疲勞損傷有關，而第一橫梁與中梁的焊接接頭的疲勞損傷主要發生在循環次數為80萬次～160萬次，因此L3測點的撓度變化主要與第二橫梁與中梁的焊接接頭的疲勞損傷有關。說明第二橫梁與中梁的焊接接頭裂紋主要發生在循環次數為160萬次～240萬次之間，后續撓度雖然有所變化，但增量較小。

3.2 應變檢測結果分析

選取試件SF-2為研究對象，分別選取橫梁和中梁跨中測點，收集達到荷載上限120 kN時的應變值，繪制不同疲勞循環次數下測點應變變化曲線如圖6所示。

圖6 不同疲勞循環次數下應變變化曲線

分析圖6所示各測點應變變化曲線，隨著循環荷載加載次數的增加，各測點應變不斷增加。隨著循環次數的增加，各測點應變增加速率也在不斷增加，例如H2、Z2、H5、H11測點在200萬次～400萬次循環之間的應變變化速率明顯高于0～200萬次。這說明隨著循環荷載加載次數的增加，殘余應力也隨之增加，雖然增加的數量不大，但產生的疲勞應變仍較大。

3.3 裂紋發展與疲勞壽命之間的關系

隨著疲勞加載循環次數的增加，伸縮裝置試件的橫梁和中梁焊縫位置相繼出現了疲勞裂紋，試件出現的裂紋如圖7所示，各試件疲勞裂紋情況統計如表2所示。其中A型裂紋出現于中梁焊縫趾處或附近，以45°方向延伸到中梁；B型裂紋出現于橫梁焊趾處或附近，以45°方向延伸到橫梁[4]；C型裂紋通常出現焊喉中間位置，大致與橫向軸線平行。

圖7 試樣裂紋樣例

表2 疲勞裂紋情況統計表

分析表2裂紋統計結果可知，在疲勞加載循環次數達到80萬次以后，試件焊縫位置相繼出現裂紋，其中大部分為C型裂紋，只有試件SF-2出現了A型裂紋，三組試件均未出現B型裂紋。SF-3試件局部焊縫位置裂紋寬度較大，分析原因是由于SF-3試件的疲勞幅值較大，說明疲勞荷載幅值對伸縮裝置的使用壽命影響較大。另外，試件SF-1在循環次數達到40萬次時達到破壞標準、SF-2為21萬次、SF-3為16萬次，對應表1中的疲勞幅值，SF-3最大，SF-1最小，疲勞幅值越大達到破壞標準的循環次數越少，這也說明疲勞幅值對伸縮裝置疲勞壽命影響較大。

4 結語

為了研究模式橋梁伸縮裝置的疲勞性能，選取GQF1120 型伸縮裝置制作試件，布置應變、撓度測點開展疲勞試驗進行分析。分析撓度試驗檢測結果，得出以下結論：

(1)隨著疲勞加載循環次數的增加，各測點撓度不斷增加，焊接接頭在循環次數為0～80萬次之間出現了明顯的疲勞損傷，進一步加載后焊接接頭處的裂紋不斷延伸，L5、L3試件分別在循環次數320萬次～400萬次、160萬次～240萬次伸縮裝置撓度出現了較大幅度增長。

(2)隨著疲勞加載循環次數的增加，各測點應變值不斷增加，200萬次～400萬次循環之間的應變變化速率明顯高于0～200萬次，殘余應力不斷增加，進而使殘余應變有了較大幅度的增加。

(3)分析三個試件疲勞裂紋的類型、位置、出現時和達到破壞標準的循環次數，得出疲勞幅值越大，試件開裂寬度越大，達到破壞標準的循環次數越少，說明疲勞幅值對伸縮裝置的使用壽命影響較大。