钢桥面板工地接头疲劳性能检测

　　下面文章主要通过对焊接和栓焊连接两种正交异性钢桥面工地接头连接形式的疲劳试验，确定了两者的S-N曲线，研究了两者的疲劳强度和裂纹扩展规律。通过建立三官堂大桥实桥的节段有限元模型，采用试验实测S-N曲线对三官堂大桥桥面板工地接头进行了计算，并且确认了栓焊接头在实际工程条件下优于焊接接头。

　　关键词：正交异性钢桥面板,U肋对接接头,疲劳开裂,栓焊连接,疲劳试验

　　三官堂大桥位于浙江省宁波市，连接宁波市高新区与镇海区。主桥采用跨度为160m+465m+160m的三跨连续钢桁梁，主桁架间距33.7m,主跨支座处主桁高度42.011m，主跨跨中处主桁高度15.5m，主桁高跨比分别为1/11.07和1/30。三官堂大桥采用正交异性钢桥面板，面板厚度16mm，U肋尺寸为300*300*8mm，横隔板间距3450mm。

　　正交异性钢桥面因其优越的力学和经济性能，自20世纪50年代被发明以后，就得到了广泛的应用[1]。但正交异性钢桥面板焊缝众多，在使用过程中常出现疲劳裂纹[2-4]。疲劳裂纹的发展造成了桥面板刚度下降，铺装开裂，行车条件恶化乃至直接影响结构安全。

　　1试件设计与边界条件

　　正交异性钢桥面板纵向加劲肋工地接头有两种连接方式，即采用带有衬垫板的单面焊接或高强螺栓连接，因其焊接因在现场单面焊接且仰焊作业，施工质量较难保证，易出现疲劳开裂。纵向加劲肋的高强螺栓连接晚于焊接出现，高强螺栓连接接头虽然具有较高的疲劳强度，但采用高强螺栓连接需要纵向加劲肋下翼缘开设手孔，手孔的开设严重削弱了U肋的截面。因此需要对上述两种连接方式进行试验研究以确定上述两种接头的疲劳性能。

　　截取正交异性钢桥面板纵肋工地接头两侧各1200mm的部分制作试件，试件总外形尺寸为2400mm*600mm*400mm，试件制作所用材料和制作工艺均与实桥一致。焊接与栓焊连接组.个制作了六个试件，分别编号为AW1~AW6(ALL-WELD)和BW1-BW6(BOLT-WELD)。为确保试验中试件其他部位不先于纵肋对接接头部位破坏，在试件U肋和支承板相交处未采取与现行规范一致的在横隔板上开孔的做法，而是采取了支承板与U肋相交处双面角焊缝直接焊接，并在支承板下方设置铰支座的方式。

　　栓焊接头连接的试件采用10.9级M22*65高强螺栓，接头每侧6个螺栓，拼接板厚度8mm，高强螺栓接头拼接区域喷涂富锌防滑涂料。经检测，制作试件所用的高强螺栓扭矩系数为0.14，高强螺栓拼接区域抗滑移系数0.7，符合《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件(GB/T1231-2006)》要求。

　　2静载试验和疲劳试验

　　对焊接试件，在面板对接焊缝，嵌补段两端共三个截面上粘贴应变片，每个截面粘贴七个应变片，其中五个位于面板上，间距150均匀分布，位于面板上表面。位于试件中心处上表面的一排应变片因正对加载装置，无法粘贴，因而移至面板背面粘贴。分别在两边支座处以及三个应变测量截面的下翼缘中心线处设置位移传感器。

　　对栓焊试件，在接头两侧横隔板中心线截面处粘贴应变片，应变片的分布焊接试件一致。在栓焊试件的拼接板正中心处及第一排螺栓孔处分别粘贴应变片，在栓接试件U肋端部面板对接焊缝过焊孔处按照热点应力法测试方法，在距离焊脚6.4mm处和16mm处(0.4倍和1.0倍面板板厚)分别粘贴应变片。

　　在两侧横隔板中心线截面处下翼缘中心位置设置位移传感器。试验时在试件正中设置一钢制滚轴并在作动器上安装静载试验采用日本鹭宫制作所制造的V605型电液伺服式结构疲劳试验系统的500kN作动器，焊接试件分10级逐级加载至300kN，栓焊试件分14级逐级加载至420kN，记录每级荷载下个测点的应变。

　　在静载试验完成后拆除预期破坏部位的应变片以免影响观察裂纹，然后开始施加疲劳荷载，疲劳荷载的最小荷载指定为10kN，焊接试件最大荷载从210kN到350kN，栓焊试件295kN到402.5kN，加载频率4Hz。首先从较大的荷载开始施加，随后逐渐根据前期实验状况调整荷载，使得数据点基本均匀分布。

　　在开始施加疲劳荷载后，每加载两小时仔细观察试件各处焊缝，确认试件是否开裂，如有开裂，则记录首次发现裂纹时的加载次数，用粉笔标记裂纹尖端，并记录加载时间。发现裂纹后缩短观察时间间隔。随着裂纹的发展，试件承载力和刚度急剧下降，一直加载至试件承载力小于最大疲劳荷载，无法继续加载时停止加载。

　　焊接试件首先在U肋弧形段出现裂纹，出现裂纹以后裂纹同时向上发展和沿下翼缘扩展，并最终导致U肋丧失承载力。栓焊试件的裂纹首先出现在拼接板下边缘中的弯矩最大处或首排螺栓孔下方，若裂纹出现在拼接板下边缘正中位置，则裂纹向上扩展直至拼接板完全断裂，若裂纹发生在首排螺栓孔下方，则裂纹扩展至螺栓孔后无法继续扩展，直至螺栓孔对侧形成新的疲劳源，在裂纹扩展至螺栓孔时，部分高强螺栓的垫圈发生破裂。

　　因焊接接头和栓焊接头结构不一致，其最大应力出现在不同的构造处，应力-寿命曲线不能完全反映结构的疲劳性能，因此以两者的荷载-寿命曲线进行对比。在同等荷载的情况下，栓焊接头疲劳性能远优于焊接接头，采用与《公路钢结构桥梁设计规范(JTGD64-2015)》中给出的构造细节的S-N曲线形同的形式对疲劳试验的结果进行回归。

　　3实桥验算

　　根据实桥状况，采用通用有限元分析软件ABAQUS建立了三官堂大桥桥面板的两个标准节段的半幅桥面板有限元模型，模型平面尺寸18950mm*33000mm，在模型中主桁下弦杆与腹杆交界处施加三向铰支边界条件，在道路中心线侧施加对称边界条件。

　　在上述有限元模型上使用自行编制的DLOAD子程序加载《公路钢结构桥梁设计规范(JTGD64-2015)》中规定的标准疲劳车模型三，即轴重120kN的四轴牵引车，轴距1200mm+6000mm+1200mm。

　　对上述U肋接头进行雨流计数，选取对结构损伤较大的部分循环进行计算，靠近主桁一侧的U肋每通过一辆标准疲劳车，形成两个应力循环，其名义应力幅为63.6Mpa和73.0Mpa，靠近道路中心线的一侧则分别为46.7Mpa和53.8MPa，对上述两个循环采用Miner准则进行累加。桥面板的疲劳属于高周疲劳，平均应力对疲劳的影响可以忽略[7]。

　　因此对U肋接头不考虑平均应力的影响。最终经计算，当在实桥上使用焊接接头时，内侧U肋预估寿命为479.2万辆次，当使用栓焊接头时，预估寿命为800.6万辆次，栓焊接头的寿命显著高于焊接接头。

　　4结论

　　现有的技术和施工条件下，U肋对接接头处易出现衬垫板衬垫板在焊接过程中受热变形，导致U肋弧形段衬垫板与母材不密贴的情况。U肋焊接接头发生疲劳破坏的主要原因在于与母材间不密贴，两者分离处焊缝成型不良，在焊根处形成焊接缺陷，上述焊接缺陷成为疲劳裂纹源，是U肋焊接接头破坏的直接诱因。虽然手孔的开设造成了U肋截面的削弱，但在不对手孔进行补强的情况下，栓焊接头的静强度不低于焊接接头，且栓焊接头疲劳性能远优于栓接接头。栓焊接头的200万次加载寿命加载荷载约比焊接接头高61.5%。

　　参考文献：

　　[1]霍智宇.基于断裂力学的钢桥面板疲劳裂纹扩展研究[D].北京:北方工业大学,2016.

　　[2]陶晓燕.大跨度钢桥关键构造细节研究[D].北京:中国铁道科学研究院,2008.

　　[3]钱冬生.关于正交异性钢桥面板的疲劳[J].桥梁建设,1996,35(2):9,10-15.

　　[4]张清华,卜一之,李乔.正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展[J].中国公路学报,2017,30(3):14-30,39.

　　[5]田康.正交异性钢桥面板构造参数优化设计及纵肋与面板连接疲劳性能研究[D].北京:中国铁道科学研究院,2017.

　　推荐期刊：《桥梁建设》现由中国铁路工程总公司主管，中铁大桥局集团有限公司主办，中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司出版。