城市快速路鋼橋梁細部節點的疲勞分析

張鴻杰

摘要 以某城市快速路鋼橋梁工程為例，制備3組共9個試件，進行疲勞試驗，根據試驗檢測結果探討橋梁主桁對接桿件中過焊孔構造的疲勞性能。研究表明，疲勞性能最薄弱部位發生在過焊孔與翼緣板－腹板焊縫交叉的焊趾處，針對此處做200萬次荷載循環試驗檢測，結果顯示疲勞性能低于規范對此節點的相關性能要求，構造細節的疲勞強度主要與過焊孔的角焊縫質量有關，建議規范焊接作業方式、嚴格管控焊接質量，以保證構造細節有良好的疲勞性能。

關鍵詞 鋼桁梁；焊接細節；過焊孔；疲勞性能

中圖分類號 TU758.11文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0150-03

0 引言

現代鋼橋在設計和施工中，大量采用了高效且安全的焊接結構。它的應用部位繁多，廣泛分布在橋梁的各個關鍵環節[1]。在焊接結構的制造過程中，常常會因為焊接工藝的影響，而在橋梁上遺留大量的焊接殘余應力和焊接缺陷。這些微觀的應力影響范圍相對隱蔽，不易被察覺，卻能在一定程度上削弱橋梁的整體結構性能，影響其安全與穩定性，給鋼橋的疲勞性能帶來潛在的威脅[2]。

對于一些大跨度的鋼桁梁橋，特別是那些設計復雜、結構跨度大、桿件連接數量多的橋梁，它們的整體節點多，連接部位的應力分布更加復雜[3]。因為桿件間的連接關系緊密，不同部位的應力相互影響，從而在連接部位產生了更加復雜且難以控制的應力場。在這些區域，由于應力的疊加和交匯，會導致鋼桁梁橋的結構疲勞問題更加突出[4]。這就對鋼橋的結構設計和施工提出了更高的要求，因此需要我們對橋梁的疲勞問題給予更多的關注和研究，以保障鋼橋的安全運行[5]。

1 鋼橋梁疲勞研究

鋼桁梁橋是一種以鋼桁架為主材的橋梁，具有結構簡單、自重輕、承載能力強、跨度大等優點，可實現并行交通，并且更適合公鐵兩用橋的建設。因此，鋼桁梁橋成為首選的橋梁形式。雖然鋼桁梁橋具有諸多優點，但疲勞損傷成為其關鍵問題。鋼桁梁橋在長期使用中，其結構會受到多種形式的疲勞作用，如彎曲、扭轉、剪切等，這些因素都會對鋼桁梁橋的結構安全和使用壽命產生重要影響。因此，需要對鋼桁梁橋的設計、施工等環節進行研究，以減少疲勞損傷對橋梁的影響。綜上所述，鋼桁梁橋是大跨度橋梁的首選形式，其輕質、跨度大、施工短等優勢使得其在城市建設中具有重要的應用價值。但疲勞損傷成為鋼桁梁橋的關鍵問題，需要對其進行深入研究，以確保其結構安全和使用壽命。

傳統鉚接、栓接節點鋼桁梁橋存在施工效率低、操作繁瑣、成本高、勞動強度大等局限性。整體節點在傳統節點的基礎上進行技術突破，有效規避了傳統節點的諸多弊端，成為當前鋼桁梁橋的常用節點形式。整體節點作為重要的連接構件，可用于連接弦桿、腹桿及下橫梁等結構，但必須保證整體節點在設計使用年限內均保持穩定，否則將影響橋梁構件連接效果，甚至誘發鋼桁梁橋整體失效問題。整體節點的組成包含節點板、接頭板、上下蓋板、腹板等，構件間采取焊接的連接工藝，而構件類型多樣，焊接節點內部的焊縫較多，可能由于殘余應力、焊接缺陷等原因而導致焊縫的應力分布偏離正常狀態，影響局部受力穩定性。在橋梁使用階段，整體節點的受力條件錯綜復雜，同時開孔處、截面變化處可能由于焊孔、人孔等構造措施的設置而集中大量應力，加之車輛荷載的反復作用，整體節點可能出現疲勞損傷，大幅度地降低承載性能，威脅到橋梁的穩定性和耐久性。因此，需要根據橋梁建設和交通狀況預測已建橋梁整體節點的疲勞壽命，制定科學的養護措施。

當前，人工定期目視檢查是常見的鋼橋疲勞損傷檢測方法，但存在檢測結果精度低、效率低等問題。鋼桁梁橋結構具有封閉或半封閉的特點，焊縫較為隱蔽，目視檢查的難度大。并且，鋼桁橋梁目視檢查依靠人工進行，檢查人員的主觀因素直接影響檢查結果的客觀性，難以獲得準確可靠的檢測結果。健康監測系統屬于重要的橋梁監測工具，其依靠儀器進行自動化檢測，精度較高，受干擾因素少，可獲得海量準確可靠的橋梁狀態信息，但要求技術人員善于從海量信息中提取具有利用價值的信息，經過分析后評估橋梁的服役狀態，分析橋梁可能出現的疲勞損傷，據此采取養護維修措施。

2 疲勞試驗方案

2.1 模型設計

主桁腹桿以工字型截面優化城市快速路大橋設計，提升穩定性和安全性，節約材料，達成高效性和經濟性平衡。其靈活調整特性在大橋設計中至關重要，需持續調整以適應實際情況。主桁腹桿與節點共用腹板，節約材料，提升穩定性。翼緣板熔透對焊，確保結構牢固，避免焊縫交叉產生的殘余應力和焊接缺陷。我們對焊縫相交區域的過焊孔進行了精心設計，以提升大橋穩定性和安全性，過焊孔設計充分考慮大橋實際需求和因素，完善焊接工藝，提高大橋質量和性能，保障大橋安全穩定。

考慮到腹桿尺寸和荷載均較大，僅在設計階段選取部分翼緣板及腹板進行疲勞試驗。腹桿內力包括軸向力和節點剛性引起的附加彎矩。由于桿件長細比大，附加彎矩影響較小，為了控制偏心引起的附加彎曲應力，以翼緣為軸將T形截面鏡像為十字形截面。為避免邊界干擾，選用了長度為1 290 mm的試件，其中測試區段長度為300 mm。過焊孔可能導致應力集中，因此調整試驗模型結構，確保疲勞易損點與實際結構一致。確定的過焊孔細節疲勞試件構造見圖1。

考慮實際工藝不達標準，故試驗模型中腹板與翼緣板一側用鈍邊坡口熔透角焊縫，另一側用普通角焊縫，比較焊縫形式對構造細節疲勞性能的影響。

2.2 加載方案

連接螺栓可能由于疲勞加載而出現疲勞破壞，為避免此問題，試驗檢測時精心挑選材料，例如地錨梁與反力架、試件與工裝間采用的是12.9級細牙高強特制螺栓連接，42CrMo材質。加載試驗期間加強觀察，若被測件出現疲勞裂紋，增加采集信息的頻率，應變片和螺栓受損時需及時更換。

現行標準未詳述構造細節疲勞強度，但發現標注為71 MPa的類似構造細節疲勞等級。為準確呈現過焊孔焊接構造細節在曲線左側斜直線段內的變化趨勢，我們設計系列疲勞試驗，設3種應力工況，每工況9個試件。試驗荷載為受拉正弦荷載，最小拉力為拉力最大值的10%。詳情見表1。

2.3 測試方案

通過ABAQUS進行試驗模型的有限元分析，確定測點的布置方案。測試采用的應變片布設在翼緣板與腹板的正反面，遵循對稱布置的原則，便于在試驗期間觀測是否有偏心問題。各試件的翼緣板、腹板的應變測點數量分別為18個、12個，每個試件的應變測點總量為3個。

疲勞加載前，采用無損探傷檢測技術檢驗試件，判斷是否有初始缺陷；試驗加載時加強無損探傷檢測，著重判斷被測試件疲勞易損部位是否存在裂紋，一旦發現則及時用裂縫觀測儀做細致的檢測，確定裂縫的分布位置及尺寸參數；試驗檢測人員完整記錄發現裂縫時的疲勞荷載次數。

3 疲勞試驗結果

3.1 疲勞破壞過程

在針對疲勞測試工況下試件破壞過程的研究中，我們觀察到了某種一致性的顯現：當受到循環荷載作用時，焊縫附近的翼緣板，特別是邊緣的焊趾部位，首先出現疲勞裂紋。隨著疲勞損傷的持續，裂紋開始在翼緣板的寬度和厚度上同步擴展。當裂紋穿過翼緣板的厚度方向時，它會在翼緣板的寬度上左右各延伸10 mm。當裂紋持續擴展時，工作面逐漸被削弱。裂紋以高速擴展，最終導致翼緣板斷裂，而腹板尚未出現裂紋。在循環荷載進一步提升的背景下，過焊孔頂部（圖2中的B點）開始出現疲勞裂紋。裂紋沿腹板邊緣延伸并擴展，形成貫穿板厚的裂紋。最終，隨著有效面積的減少，試件在疲勞荷載下發生斷裂。圖2展示了試件的破壞模式。根據有限元分析和測試結果，過焊孔附近的翼緣板和腹板上都存在由外形突變導致的應力集中點，且應力梯度較大，這是抗疲勞的脆弱環節。盡管翼緣板上應力集中點的應力值（A點）低于腹板上的應力集中點，但是由于A點的焊縫交錯，在焊接過程中不可避免地會產生初始裂紋缺陷。此外，A點的翼緣板與腹板是通過普通的角焊縫連接的，這也解釋了疲勞試件為何總是從A點開始破裂的現象。

3.2 疲勞壽命測試結果

試驗中測得裂縫擴展不同階段的疲勞荷載次數，疲勞試驗結果見表2。

分析各試件的應力－荷載循環曲線圖3可知，彼此間具有諸多共性。從曲線發展特性來看，可概括為兩個階段：一是循環荷載作用80萬次前，測點應力值波動幅度較小，曲線呈平直狀態，試件剛度無明顯變化；二是循環荷載作用超過80萬次后，在此階段的測點應力有明顯的波動，曲線產生拐點。結合表2的荷載試驗檢測結果推測導致曲線發生變化的原因：荷載循環作用次數達到82.19萬次后，翼緣板裂紋半長達到10 mm，釋放板內拉應力，降低板的剛度，板承受較強的荷載作用，伴隨拉應力明顯升高的變化趨勢。

經過數值模擬和統計分析，我們注意到中心裂紋在長度達到10 mm前，其疲勞荷載循環次數顯著提升。這一情況暗示著試件在一定時間內經受了更高強度的疲勞。盡管裂紋已經達到10 mm，其力學性質并未發生顯著變化，這為我們提供了有力的證據，表明我們可以根據10 mm的翼緣板裂縫半長來計算疲勞壽命。

試驗數據運用最小二乘法，計算疲勞循環次數和應力幅，得到該處lg（Δσ）－lg（N）擬合曲線（圖4）及Δσ－N曲線回歸方程（失效概率為50%）即：

lg（N）=14.03?3.704 lg（Δσ） （1）

當N=200×10⁴次時，應力幅Δσ=122.1 MPa。

相關系數|γ|=|?0.772|=0.772＞0.620。

Lg（N）的標準差s=0.136 0。

將式（1）的均值線減去2倍的lg（N）的標準差（2 s），得到95%置信度的下限值方程（失效概率為2.3%）。

Lg（N）=13.758?3.704 lg（Δσ） （2）

當N為200×104次時，應力幅Δσ=103.09 MPa。

該數值低于疲勞強度標準，原因是角焊縫而非坡口熔透角焊縫，疲勞性能較差。在實際應用中，必須控制焊縫質量，嚴格控制參數，確保焊透率與連續性。

4 結論

在面對某城市快速路大橋主桁腹桿－節點對接桿件的過焊孔構造細節這一復雜問題時，我們對3組共計9個試件進行了疲勞試驗，并通過擴展有限元方法預測了橋梁構件的疲勞壽命。通過實驗和計算，得出了若干具有指導意義的結論。

（1）驗證了對于過焊孔與翼緣板、腹板焊縫交叉處的焊趾部位作為疲勞開裂起始點的觀察結果。事實證明，焊趾是焊接接頭中的應力集中區域，也是疲勞裂紋的源發之地。因此，提高該區域的焊接質量和強度可以有效地增強橋梁構件的疲勞性能。這將為類似的焊接接頭提供啟示，通過改善焊趾區域的焊接質量和強度，可以有效地抑制疲勞裂紋的產生，從而延長橋梁構件的使用壽命。

（2）構造細節在橋梁構件的過焊孔部分對疲勞性能有著決定性的作用。在進行疲勞試驗的過程中，我們察覺到過焊孔的位置、尺寸以及其與翼緣板和腹板焊縫交叉的程度對橋梁構件的疲勞性能有所影響。因此，在設計橋梁構件時，我們有必要深度考慮過焊孔的構造細節，以確保橋梁構件具備優越的疲勞性能。

（3）在200萬次荷載循環的試驗環境中測量了構造細節的疲勞強度，結果為103.09 MPa。這個數值低于國家標準規范。我們發現，疲勞強度低的原因在于制造過程中未采用特殊連接工藝，使用了普通角焊縫連接腹板和翼緣板，降低了關鍵連接節點的疲勞性能。

參考文獻

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