鋼結構橋梁的橫向載荷應力試驗研究

曹武雷CAO Wu-lei；李震LI Zhen；朱帥ZHU Shuai

（中國建筑第七工程局有限公司，洛陽 471000）

0 引言

鋼結構橋梁設計能夠提高橋梁自身的承載能力，同時還可減輕橋梁自重和施工復雜性。但受到車輛超載、自然環境以及交通事故等因素影響，鋼結構橋梁會出現一定程度橫向載荷應力下降的情況，影響橋梁使用壽命和階段性的結構牢固性。對此，為進一步掌握鋼結構橋梁橫向載荷應力的影響因素，提高橋梁的使用性能，將以設計試驗的方式對鋼結構橋梁進行載荷應力變化實驗，以明確各影響因素對橋梁穩定性的作用強度。

1 鋼結構橋梁的抗疲勞設計

1.1 安全壽命設計法 常見的鋼結構橋梁安全壽命設計方法是指設計會在一定年限內不會出現疲勞破壞等問題，因此其構件的應力值通常會低于疲勞極限值，該方法能夠有效提升鋼結構的應力與疲勞壽命[1]。安全壽命設計法屬于一種有限設計，一般情況下對應構件應力的設計值需要遠高于疲勞極限值，其疲勞壽命曲線變化呈先穩定下降后保持不變形態，在穩定下降部分能夠得出，鋼結構橋梁的結構疲勞壽命屬于隨時間變化而變化的，即整體會隨著橋梁投入使用年限的增加而不斷下降，因此在對安全壽命設計法設計橋梁進行抗疲勞研究中，應當對相應其最高應力極值進行科學的計算，并引入累積損傷理論估算出受外界因素影響下的疲勞損傷值[2]。該設計方法需要保障其設計滿足如下條件，即必須掌握疲勞強度變化曲線和是否達到鋼結構橋梁基本的疲勞定義與等級條件。

1.2 損傷容限設計法 損傷容限設計法是基于斷裂力學而提出的一種鋼結構橋梁設計方法。損傷容限設計法需要先對橋梁構件中存在的初始裂紋進行假設，并引入斷裂學的相關理論對其進行計算，然后將對應的裂紋鎖定為橢圓形的表現形式，再將結合鋼結構材料性質等變應力因素對裂紋影響變化進行進一步拓展[3]，其中拓展速率可參照下式進行計算，即

在明確需要使用的評估結構剩余壽命的試驗之后，可通過上述方法進行鋼結構橋梁的結構設計，以保證結構裂縫可在設計期限下不出現進一步擴展，從而方便后續對橋梁鋼結構進行裂縫構件的安全性評估，該方法在評價年代久遠的鋼結構橋梁疲勞性中具有較高的應用效果。此外，還需要助于在鋼結構橋梁的預檢期間應當注意漏檢因素對整體評估的影響，即橋梁內部產生的裂縫問題對整個評估指標的影響。

2 鋼結構橋梁的抗疲勞設計的關鍵點

2.1 確定疲勞荷載 鋼結構橋梁設計不同于鐵路橋梁的抗疲勞設計，用于公路交通的鋼結構橋梁受車輛荷載變化影響所產生的形變程度相對較大，因此對應的鋼結構結構變化幅度同樣較大。受到車型與車輛間距等因素的差異性影響，其公路鋼結構橋梁的結構設計應當明確疲勞荷載峰值，即可借助計算標準交通狀態下橋梁鋼結構疲勞損傷情況進行等效折算，從而設定出在假設條件下鋼結構橋梁的疲勞荷載值。針對鋼結構橋梁線長度的局部計算，可結合標準軸重荷載的方式進行計算，即使用1.1 倍假設疲勞車軸的重荷載當做標準的軸重荷載。

2.2 精確驗算位置 鋼結構橋梁的抗疲勞驗算活動中，應當對其鋼結構驗算位置進行精確，從而使得出數據能夠直接反映出區域下鋼結構的質量。常見鋼結構橋梁設計的驗算關鍵位置可分為橋梁桿結構、鋼結構疲勞敏感處預計鋼結構細節等部位，驗算時除需要注意驗算各個鋼結構焊縫趾和小節點區域之外，還需要注意對剪開變、倒角、焊趾以及焊接縫跟部等部位的核驗計算，從而保障抗疲勞設計中驗算結果的準確性。

2.3 明確加載次數 鋼結構橋梁的結構抗疲勞設計應當針對性計算區域的疲勞應力，明確鋼結構的額定疲勞車影響線長度、疲勞車軸距以及一次加載次數等指標間的關系。同時，還需要結合鋼結構橋梁的材料性質與構件性能，引入效應相等理念作為判斷原則，將復雜環境下應力循環通過單個具有差異化的循環代數進行表示，其中試驗環境下一個軸重皆可視為一次加載。

2.4 確保鋼結構構件滿足規定 為保障鋼結構橋梁的抗疲勞結構設計質量達到相關標準，需要結合項目施工要求以及相關設計工作經驗進行架構設計，并使鋼結構橋梁整體滿足以下幾點設計規范與要求：第一，應當針對鋼結構拉伸件與受力彎曲鋼構件等常用鋼結構橋梁組成構件進行科學化設計，即設計應當結合橋梁使用標準，選擇具有一定弧度且長過渡性的鋼結構件實現對鋼結構橋梁剛度的弱化。第二，設計階段應當借助線對接焊縫進行科學的選用，并且需要對鋼結構件焊接后進行處理。第三，應當強化復雜設計區和應力變化復雜區域下的疲勞驗算計算。第四，應當對鋼結構框架涉及疲勞的關鍵點進行區分，從而精細化鋼結構構件的設計，以提高鋼結構橋梁的整體疲勞強度。

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料的制作過程 鋼結構橋梁屬于一種空間結構框架設計，應當在設計中對豎向、橫向以及縱向等三方向及延伸域施加的荷載力作用進行考慮。在本文的研究中，將融合上述鋼結構橋梁抗疲勞設計，重點對鋼結構橋梁的橫向荷載力變化進行分析，即重點對橋梁上方重量、自然力和橋梁離心力對鋼結構的疲勞影響進行研究。鋼結構橋梁的橫向荷載直接施加在縱梁上，通過縱梁的結構設計將施加力分配至各個承力點位。結合橋梁節點的特征和現階段鋼結構橋梁的設計圖紙，全面考慮鋼結構橋梁斷裂模擬試驗環境下，試驗受到儀器和反力架系統等因素的限制，結合微縮模型尺寸的方式完成模擬試驗下疲勞斷裂的相關研究，從而在保障鋼結構橋梁仿真性的同時降低試驗成本。試驗設定試樣尺寸數據如表1 所示。

表1 試樣尺寸

因需要對鋼結構橋梁的橫向荷載進行考慮，因此本文所提試驗中將選用十字型截面鋼結構作為基礎樣本，十字型截面鋼結構試件的組成成分與力學性能數據見表2所示。

表2 試件性能

結合鋼結構橋梁的橫向荷載受力點與橋梁鋼結構的結構特征，選擇3 處橋梁節點部分作為試驗分析點位。實驗點設計涵蓋橋梁節點板與弦桿的焊接區域、棱角與弦桿的焊接區域以及梁板厚度。將上述點位設計進行編號，分別為1、2 和3。其3 個點位的焊接工藝數據如表3 所示。

表3 焊接工藝

為保障試驗結果的精準性，應當在此次實驗之前對上述測點進行一次靜應力預測試，從而判斷出測點處是否存在荷載偏移，并比對測試數據與點位實際數據。若應力測試的數據結果與測試數據完全一致，則使用上述設計測點進行模擬實驗，若不同則需要從新設計測點并進行測點的應力預測試。

3.2 實驗設備 為確保本次試驗過程具有高度可控性，因此本文將模擬實驗設置在大型結構實驗室中進行，使用電液伺服疲勞試驗機當做本次仿真模擬實驗的主要設備。為較為完整的模擬出鋼結構橋梁實際橫向應變力變化情況，其設備的選用原則應當考慮是否小于橫向荷載噸位或等于鋼結構橋梁最大噸位的80%，由此可保障其反力架系統的運行安全性。將上述所提試件應用到模擬試驗中，并將試驗設備的初始加載頻率調整為1.0～10.0Hz。因需要保障整體試驗過程中可以擁有較為穩定且持續的受力變化，需要使用正弦波應力循環系統完成此次試驗。另外，還需要結合試驗主設備的設定情況，調整試驗加載系統、附屬設備、數據采集系統、缺陷檢測設備以及安全防護設備等，以期起到提高試驗結果科學性與有效性的目的。

3.3 試驗方案設計 通過文獻查閱的方式證明橋梁鋼結構出現的疲勞損傷斷裂與焊接區域受力變化存在直接關系。因此，在本次試驗中不對其他應力變化對試驗橋梁鋼結構產生的影響進行考慮，僅對試驗鋼結構橋梁進行橫向荷載的研究。分析試件循環測試次數與測點應力變化關系，并探究其抗疲勞的變化曲線，從而得到鋼結構橋梁試件的S-N 曲線，由此判斷其斷裂條件。本次試驗方案的總規劃情況如表4 所示。

表4 實驗方案總體規劃

以上述所提方法完成本次試驗，結合鋼結構橋梁的橫向荷載要求，設計出適用于鋼結構橋梁的疲勞斷裂實驗方法。

3.4 試驗方法設計 以下述方法體現出上述疲勞斷裂試驗的規劃。假設上述3 個測點的橫向荷載峰值均在350-560kN 之間，在上述試驗環境下將鋼結構橋梁的試件荷載加載參數和橫向荷載參數匯總于表5 中所示。

表5 試件荷載加載參數

設定本次試驗的橫向荷載加載參數分為3 級，則仿真模擬實驗需要在基本參數發生變化的情況下進行3 次試驗，試驗結果如表6 所示。

表6 橫向載荷參數設定

采集鋼結構試件出現橫向應力斷裂前的載荷參數，采集時間間隔為1h，若采集過程中出現斷裂情況則需要立即停止數據的采集工作，鋼結構疲勞時間裂紋的檢測工作應當與上述信息的采集工作同步進行，以此獲得更加真實的疲勞斷裂模擬試驗結果數據。使用S-N 曲線對結果進行表示，其公式為：

上式中：C 與m 均表示試件材料的常數。

使用對數方法對其進行計算可得公式為：

借助上述公式可獲得試驗鋼結構的疲勞曲線，上式中使用數據皆可通過數據回歸方法得出。

4 試驗結果

4.1 一級荷載狀態下的試驗結果 為驗證上述試驗設計的可行性與合理性，將以上述實驗設計為基礎環境進行鋼結構橋梁建筑的橫向載荷應力的檢測，并得出所用鋼結構橋梁的仿真試驗疲勞數據，同時對試件與時間的差異進行考慮，使用疲勞曲線實現最終結果的顯示，詳細數據變化如圖1 所示。疲勞曲線循序變化為板厚檢測、弦桿與節點板焊接處檢測和橋梁弦桿棱角焊接處檢測。由下圖數據可知，在相同的荷載力作用下，三組測點的疲勞曲線波動大致相似，并且該荷載等級下并未出現鋼結構斷裂現象，證明橋梁鋼結構橋梁的構件抗疲勞性較好。

圖1 一級荷載狀態下的試驗結果

4.2 二級荷載狀態下的試驗結果 為探究二級荷載狀態下鋼結構橋梁構件的抗疲勞性效果，將模擬多次鋼結構橫向載荷應力變化對測點影響分析，因該等級狀態下鋼結構疲勞變化與等級一變化相似，因此不進行曲線圖的描繪工作。但在試驗構件的荷載數值不斷升高過程中，測點3 在100 荷載力后開始出現波動，并且在施加240 荷載力時出現斷裂情況。相比較測點3 數據變化其測點1 和測點2 數據變化相對平穩，但仍會在荷載力不斷增加的情況下出現斷裂。

4.3 三級荷載狀態下的試驗結果 將本次試驗的荷載輸出設定為測點的極限值，由此獲得三級荷載參數下的鋼結構疲勞性試驗實驗結果，其試驗數據變化如圖2 所示。

圖2 三級荷載狀態下的試驗結果

在三級荷載狀態下，僅剩測點3 一條較為完整的曲線。結合上述試驗設計測點1 在施加420 荷載力時出現斷裂，因此不對其進行數據檢測，同時測點2 在施加480 荷載力時出現斷裂，因此同樣不對其后續應力變化進行數據采集。通過原始數據與曲線變化可知，測點1 和測點2 在出現斷裂之后其開裂部分的應變測點數據仍會不斷增加，同時測點3 數值會出現一定程度的下降，證明其應當編制在應力變化的彈性形變的范圍內。

5 結論

綜上所述，由上述試驗設計及結果可知，鋼結構橋梁在橫向荷載的影響下，其構件的疲勞斷裂順序為先細節負載斷裂后平整部分斷裂。實驗發現，鋼結構的幾何尺寸、受力方式以及受力點的分布直接影響鋼結構的抗疲勞強度。在上述3 種因素的共同影響下，鋼結構橋梁的構件疲勞強度將會提升一個等級，并會形成結構斷裂的情況，并且由試驗結果可以看出鋼結構的疲勞性能變化與焊接質量同樣存在直接關系，其應力變化在同等參數等級的試驗環境下極為明顯。因此，對鋼結構橋梁的構件細節進行精細化處理，能夠有效降低結構細節問題帶來的應力集中問題，從而提高鋼結構橋梁的抗疲勞能力，預防不規則應力變化造成的橋梁斷裂問題。