鋼橋梁正交異性橋面板U形肋焊接接頭疲勞特性 研究

關鍵詞：鋼橋梁；正交異性橋面板；U形肋；焊接接頭；疲勞特性

中圖分類號：U445. 文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.046

文章編號：1673-4874（2025）01-0156-03

0 引言

正交異性鋼橋面板中疲勞裂紋通常在底部存在，裂紋的產生限制了正交異性鋼橋面板在行車荷載作用下的使用壽命。通常，正交異性鋼橋面板與U形肋通過焊接集成在一起，隨著交通流量的不斷增大和車輛載重的持續提高，鋼橋梁所承受的荷載也日益復雜，U形肋焊接接頭容易出現疲勞裂紋，從而影響橋梁的結構性能和使用安全。因此，深入研究鋼橋梁正交異性橋面板U形肋焊接接頭的疲勞特性具有重要的現實意義。

目前，國內外學者對鋼橋梁的疲勞問題進行了大量研究，U形肋條與橫梁焊接接頭的結構形式和疲勞評定方法一直備受關注。龐延波等1使用幾何應力集中因子比較了三種類型的肋條與橫梁焊接連接的疲勞性能，并指出穿過橫梁的連續槽焊接接頭在橫梁上孔處容易產生疲勞裂紋。薛長利等2通過全尺寸試樣的靜態和動態疲勞試驗，對肋條與橫梁焊接接頭處的應力分布和疲勞開裂行為進行分析，得出疲勞裂紋發生在焊接接頭的焊趾處的結論。施洲等3研究結果表明，橫梁中平面內應力占主導地位，通過有限元分析得出橫梁切口處的應力集中程度較高的結論。

在現有文獻中，對不同的疲勞失效模式下U形肋焊接接頭疲勞性能研究較多[4]，對疲勞開裂特征研究較少。基于此，本文對大型正交異性鋼橋面板試樣開展試驗，通過研究U形肋焊接接頭的疲勞失效模式、應變和垂直位移，揭示U形肋焊接接頭疲勞破壞特征的機理。

1試驗方案

1.1試樣

為探究鋼橋梁正交異性橋面板U形肋焊接接頭疲勞失效模式、應變和垂直位移，本研究將試樣尺寸設定為2.7m×1.4m×0.7m 試樣由一個 18m m 厚的甲板、兩個間隔為2.5m的橫梁（厚度為 14m m 兩個縱向U形肋和若干加筋板組成。兩個U形肋的高度相同 ，頂部寬度為 ，底部寬度為 170m m ，肋壁厚度為 。在每個橫梁的底部安裝1.4m長、20mm厚的法蘭板，以便為橫梁提供足夠的剛度和穩定性。試樣的所有部件都通過焊接連接在一起[5]。根據《鋼結構焊接規范》（GB50661一2011），在焊接過程中，采用二氧化碳作為保護氣體，將U形肋分別通過角焊縫和部分焊透坡口焊縫焊接到橫梁和甲板上[。由于焊接臂通過上孔的通道受到限制，因此使用焊接機焊接接頭。開展疲勞試驗前，通過手工錘擊的方式對U形肋焊接接頭的焊接區域進行局部處理，以部分釋放接頭的焊接殘余應力。

正交異性鋼橋面板試樣由熱軋低合金結構鋼（Q370qE級）制成，嚴格按照《橋梁用結構鋼》（GB/T714—2008）標準鑄造。如表1所示為正交異性鋼橋面板的力學性能和化學成分。

1.2 測試裝置

所有試樣均利用支架支撐于橫梁兩端，并在試驗室中承受循環荷載作用。4個鋼支座通過緊固螺栓將上部試樣和下部工字梁進行連接，并固定在地基上，以保證正交異性鋼橋面板在受力過程中的穩定性。同時，采用剛性荷載吊具將推桿的集中力轉換成均勻分布的荷載。在剛性荷載吊具和試樣之間放置兩個橡膠墊，以模擬實際結構中車輪對正交異性鋼橋面板的作用效果。采用《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTGD64—2015）中規定的標準疲勞車進行疲勞荷載加載。

1.3評價指標

采用疲勞失效模式、應變及垂直位移指標對U形肋焊接接頭的疲勞特性進行表征。指標可分為以下三類：

（1）疲勞失效模式。加載系統自動記錄裝載循環次數。隨著疲勞試驗的穩步進行，對焊接接頭裂紋進行目視檢測，以評估試樣的狀況，對U形肋焊接接頭的疲勞失效模式進行分析。

（2）應變。為研究正交異性鋼橋面板的應變變化，在U形肋骨與橫梁焊接點以及其他疲勞敏感區域（如肋骨與面板焊接點和縱肋底部）周圍安裝39個應變片。應變片安裝位置在橫梁兩側焊縫相交的焊趾端，如圖1所示。同時，在預計開裂區域（距焊趾約 放置一個應變片，以及時發現開裂動態變化8，并使用密封膠將應變片黏附在鋼材表面。

（3）垂直位移。試樣的垂直位移均由四個刻度盤指示器測量（位移測量的分辨率為 ，精度為 ，分別為D1～D4：D1和D2安裝在兩根縱向U形肋的底部中心；D3和D4安裝在兩根橫梁中跨的下方。使用數據采集系統（型號：KyoWaUCAM-60B）對數據進行采集。

1.4 加載方式

（1）靜態測試。靜態測試采用XJJ250型伺服作動器，該儀器的力控制精度達到 ±0.5% ，位移控制精度為 ，垂直加載力為模擬車輛通過橋面時的作用力。垂直加載力范圍設定為 ，可滿足U形肋焊接接頭在復雜受力狀態下的靜態響應。在研究U形肋在垂直荷載作用下的靜態響應時，加載點設定在U形肋頂部的中心位置，能夠較好地模擬車輛荷載通過橋面板傳遞到U形肋上的垂直力，使試驗結果更符合實際受力狀態。每100次加載循環進行一次靜態試驗，以評估試樣的剛度。靜態試驗的施加荷載幅度與疲勞試驗的施加荷載幅度相等[10]。

（2）疲勞試驗。在初始靜態試驗之后，在前200個循環內，試樣在初始荷載振幅下依次承受循環載荷。循環荷載的頻率約為 ，以最大限度地減少動態負載效應。200個循環后，對U形肋開始交替進行靜態和疲勞試驗，并測量應變、位移等指標，以評估U形肋焊接接頭的性能退化程度。

2 測試結果和討論

2.1 失效模式

圖2展示了U形肋焊接接頭從開始試驗到疲勞失效的過程。從圖2中可以觀察到：從肋焊趾處的焊接端開始產生疲勞裂紋，逐漸沿肋壁表面繼續擴展。根據視覺觀察，疲勞失效過程可分為三個階段。第一階段：從疲勞試驗開始到U形肋焊接接頭焊趾疲勞裂紋萌生，如圖2（a）所示。第二階段：U形肋壁處的裂紋擴展，表面裂紋在縱向方向上延伸超過橫梁的厚度，在該階段，裂紋路徑大致平行于焊接接頭處的端焊縫，如圖2（b）所示。第三階段：裂紋擴展路徑逐漸偏轉并向上擴展，直到疲勞裂紋最終沿厚度方向穿過肋壁，如圖2（c）所示，此時可以確定為疲勞失效的臨界條件[11]。

2.2不同荷載和加載循環次數下的焊接接頭應變

如圖3所示為U形肋焊接接頭處的應變與荷載之間的關系。由圖3可知：

（1）應變隨著施加的荷載增加近似線性地增加。在加載初期，當所施加的荷載較小時，U形肋焊接接頭處于線性彈性階段。此時，焊接接頭的應變隨著荷載的增加而成比例地增加，符合胡克定律。

（2）隨著循環次數的不斷增加，焊接接頭的應變開始進入穩定發展階段。在該階段，材料內部的微觀結構逐漸發生變化，如位錯的增殖、滑移等，導致接頭抵抗變形的能力逐漸下降。因此，在相同的荷載作用下，應變的增長速度加快。例如，荷載為240KN時，循環次數100次、200次的應變較循環次數0次分別增加208. 62% 、411. 42% 。由于材料內部結構的變化，焊接接頭開始出現局部的塑性變形。這種塑性變形是不可逆的，即使卸載后，焊接接頭也無法完全恢復到原來的狀態，會產生一定的殘余應變。同時，隨著循環次數的繼續增加，殘余應變會不斷積累，導致焊接接頭的整體變形逐漸增大。當循環次數為400次時，焊接接頭的應變急劇增加，荷載為400kN時，應變高達 ，較循環300次增加9. 13% 。進一步表明循環400次時，焊接接頭的疲勞壽命已達到極限，接頭的內部結構已經受到了嚴重的損傷，承載能力大幅下降。此時，在較小的荷載作用下，應變也會急劇增加。

（3）相同循環次數下，隨著荷載增加，焊接接頭應變的增長速度呈先快速增加、后平穩增加的趨勢。其中，荷載為 KN時，焊接接頭逐漸進入彈塑性過渡階段。在該階段，應變的增長速度開始較快，由于塑性變形的出現，焊接接頭內部的應力分布也會發生變化。在彈性階段，應力分布相對較為均勻，但進入彈塑性階段后，應力會向塑性變形較大的區域集中，使得這些區域的應力進一步增加，而其他區域的應力則相對減小。這種應力重新分布的現象會影響焊接接頭的承載能力和變形特性。當載荷 gt;80 KN后，焊接接頭逐漸進入塑性階段，應變會隨著載荷的增加而增加，最大應變為 ，如果焊接接頭的塑性變形過大，可能會引起焊縫開裂、U形肋與橫梁之間的連接松動等問題，從而影響橋梁的整體結構安全。

2.3不同加載循環次數下的焊接接頭垂直位移

如圖4所示為U形肋焊接接頭垂直位移和加載循環次數之間的關系，荷載大小為400KN。垂直位移由安裝在U形肋U1和U2底部的兩個千分表（D1和D2）獲得，數據取其平均值。從圖4可以得出以下結論：

（1）在加載循環次數較少階段 次），焊接接頭結構相對完整，U形肋內部的微觀結構變化尚未明顯累積。此時施加的載荷還不足以使U形肋接頭產生較大的變形，垂直位移變化量非常小，初始（0次）垂直位移為0.62mm，100次時的垂直位移僅為0. 69m m ，相較0次僅增加 11.29%。

（2）隨著加載循環次數的不斷增加 次，U形肋內部開始出現微觀損傷，如位錯的增殖、滑移帶的形成等。這些微觀損傷逐漸累積，導致接頭的剛度逐漸降低，垂直位移開始逐漸增大。相比于初始階段，此階段的垂直位移增長速度仍較為緩慢，循環200次時，垂直位移較循環0次僅增加 27.41% 。

（3）當加載循環次數接近或達到接頭的疲勞壽命極限時（400次），接頭內部的損傷已經非常嚴重，垂直位移高達 ，較循環0次增加 141.93% 。此時，U形肋焊接接頭的承載能力大幅下降，接頭內部的裂紋已經開始擴展，結構的完整性遭到嚴重破壞，U形肋焊接接頭已無法再有效地抵抗載荷的作用。

3結語

本文對鋼橋梁正交異性鋼橋面板U形肋的焊接接頭進行疲勞試驗，以評估焊接接頭的疲勞特性，可得出以下結論：

（1）通過觀察U形肋焊接接頭疲勞失效過程，總結U形肋焊接接頭疲勞失效主要經歷3個階段，疲勞裂紋主要從焊趾處的焊接端開始并沿肋壁擴展。（2）隨著荷載水平增加，U形肋焊接接頭的應變呈現線性增加規律；隨著循環荷載次數增加，U形肋焊接接頭的應變呈現穩定變化規律。（3）隨著加載循環次數的不斷增加（ 次），U形肋一橫梁材料內部開始出現微觀損傷，如位錯的增殖、滑移帶的形成等。但當加載循環次數接近或達到接頭的疲勞壽命極限時（400次），接頭內部的損傷較為嚴重，U形肋一橫梁的焊接接頭承載能力大幅下降。

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