正交异性桥面板横隔板圆弧过渡处剪切疲劳强度实验研究

吕彭民, 宋年波, 李大涛

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室, 陕西 西安 710064)

正交异性桥面板横隔板圆弧过渡处剪切疲劳强度实验研究

吕彭民, 宋年波, 李大涛

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室, 陕西 西安 710064)

摘要：为了研究正交异性桥面板横隔板圆弧过渡处的疲劳特性，本文以九江长江大桥实际结构为例制作了横隔板与U型肋局部构造细节疲劳试验试样，实验结果发现13个试样中有8个试样疲劳裂纹发生在横隔板与U型肋焊缝处，而有5个试样疲劳裂纹发生在横隔板母材圆弧过渡处，说明横隔板圆弧过渡处为疲劳破坏的危险部位之一.有限元分析与应力测试表明，该处为压应力状态区域，而剪切应力较大，其疲劳失效形式为剪切疲劳破坏，通过将实验数据与欧洲规范Eurocode3进行比较，该部位满足容许剪切应力幅值为100 MPa的Δτ-N曲线方程.该研究结果可为正交异性桥面构造细节强度设计和寿命评估提供参考.

关键词：正交异性钢桥; 横隔板圆弧过渡处; 剪切疲劳破坏; 疲劳试验; 有限元分析; 应力测试

0引言

正交异性钢桥面板，是用纵横向互相垂直的加劲肋(纵肋和横肋)连同桥面盖板所组成的共同承受车轮载荷的结构.因其具有自重轻、承载能力大、节省钢材、施工方便等优点，已成为大跨度现代钢桥通常采用的桥面结构形式[1].迄今为止，国内采用正交异性钢桥面板的桥梁已有近 30余座[2]，但因结构复杂、焊缝立体交叉等原因，疲劳开裂已成为阻碍其进一步发展的关键技术问题.国内外关于钢桥细部结构疲劳性能做了大量的研究[3～8]，形成了各种设计规范，如欧洲规范Eurocode3[9],英国规范BS5400[10],美国规范ASSHTO[11],国内的《铁路桥梁钢结构设计规范》[12]等，对各类构造细节的疲劳特性给出了详细规定.由于正交异性桥面采用全焊结构，人们对焊接部位的疲劳特性进行了深入研究，而对母材处的剪切疲劳特性的研究较少.正交异性桥面结构横隔板圆弧过渡处应力集中较大，是疲劳破坏的薄弱部位之一，由于该部位受压应力作用，其疲劳破坏为剪切疲劳破坏.为了研究该部位的疲劳特性，本文以九江长江大桥正交异性桥面结构为例，制作了横隔板与U型肋局部构造细节疲劳试样，通过疲劳试验和仿真计算，研究横隔板圆弧过渡处(见图1圆弧R34处)的应力状态和疲劳特性.

1横隔板圆弧过渡处疲劳试验

九江长江大桥横隔板与U肋细部构造如图1所示，为了研究横隔板圆弧过渡处疲劳特性，本文设计了试样如图2所示，疲劳试验结果如表1所示.

由表1可知，横隔板与U肋细部结构疲劳危险部位为横隔板与U肋围焊处(见图3)和横隔板圆弧过渡处(见图4～图5).围焊处疲劳性能另有论文讨论，笔者主要研究横隔板圆弧过渡处的疲劳特性.

注：“-”表示母材横隔板圆弧过渡处裂纹扩展到30 mm时没有检测循环次数;“*”表示母材横隔板圆弧过渡处裂纹扩展到30 mm时的循环次数;“**”表示横隔板与U型肋围焊处裂纹扩展到30 mm时的循环次数.

2横隔板圆弧过渡处有限元分析

为了准确分析该疲劳试样横隔板圆弧过渡处的应力状态，有限元分析时采用实体单元Solid45建立了疲劳试样1/2有限元计算模型，在对称面上施加对称约束，共划分实体单元132 388个，接触单元4 140个，节点150 813个，试样有限元模型见图6.图7为复合应力云图根据有限元对疲劳试样分析结果可知，由于有应力集中，横隔板圆弧过渡处复合应力很大，由分析可知，该处为压应力区，图8为试样第三主应力(压应力)云图，圆弧过渡处压应力很大.

3横隔板圆弧过渡处应力状态测试

根据有限元计算结果，在试样上布置应变片.试样布片图见图9，其中应变花5和6用来测圆弧过渡处应力.应力测试按照0、50、100、150、200、250、280 kN逐级加载和250、200、150、100、50、0 kN逐级卸载进行，静载试验共完成2次加载、卸载，将2次所测值平均后求出测点的应力值，应变花6所测的主应力见图10.

通过实测结果可知，试样圆弧过渡处同样为压应力，其第一主应力和第三主应力均为负值，从而验证了有限元分析的合理性.根据最大剪切应力计算公式(τmax=(σ1-σ3)/2，σ1为第一主应力，σ3为第三主应力)可以求出此处最大剪切应力，图11为最大切应力-载荷变化曲线.图12为有限元分析得到的圆弧过渡处第三主应力方向分布图，由图中可以看出圆弧过渡处第三主应力方向与圆弧切线大约成20°～30°角，由于最大切应力τmax所在的截面与σ1和σ3主平面互成45°角，因此可以作出最大切应力τmax的大致方向，如图13所示，由此可以看出最大切应力τmax与裂纹扩展方向基本吻合，进一步说明该处的裂纹破坏是由剪切应力产生的疲劳破坏.

4横隔板圆弧过渡处疲劳性能讨论

为研究该细部构造结构的疲劳失效状况，共进行了13个试样的疲劳试验，由表1可以看出试验中5个试样横隔板圆弧过渡处发生裂纹，该处可用的疲劳试样数据见表2.其中剪切应力幅是通过图11中最大剪切应力-载荷曲线求得.

将表2中试验数据与欧洲规范Eurocode3中给出的两条Δτ-N疲劳曲线(200万次对应容许应力幅分别为100MPa和80MPa)进行比较(如图14).可以看出，试验数据满足200万次对应容许应力幅值为100 MPa的疲劳曲线要求.因此，对于正交异性桥面结构横隔板圆弧过渡处的疲劳强度计算与评估建议采用Eurocode3中容许应力幅值为100 MPa的Δτ-N曲线方程：logN=16.301-5lgΔσR.

5结论

横隔板圆弧过渡处由于应力集中等原因，该处为正交异性桥面结构疲劳破坏的危险部位之一，在构造细节设计和强度评估时应加以关注；横隔板圆弧过渡处为压应力区域，其疲劳破坏一般为剪切疲劳破坏；正交异性桥面结构横隔板圆弧过渡处疲劳特性曲线建议采用Eurocode3中200万次对应剪切许用应力幅值为100 MPa的Δτ-N曲线方程：logN=16.301-5lgΔσR.

参考文献：

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[8]余波,邱洪兴,王浩,等.正交异性钢桥面板构造细节疲劳性能及损伤演化研究[J].公路交通科技,2009,29(9):64-69.

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[10]英国标准学会. BS5400钢桥,混凝土桥及结合桥(1978-821版)[S].成都:西南交通大学出版社,1987.

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[12]铁道部大桥工程局勘测设计院.TB 10002.2—2005.铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

Experimental Study of Shear Fatigue Strength for the Orthotropic Deck Diaphragm Arc Transition

LV Peng-min, SONG Nian-bo, LI Da-tao

(Key Laboratory Road Construction Technology and Equipment, Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:In order to study the fatigue characteristics on the diaphragm arc transition for orthotropic bridge deck, Jiujiang Yangtze River bridge was taken as an example, and the fatigue test specimens of the diaphragm and U rib local structural detail were made. Experimental results showed that 8 samples fatigue crack occurred in the diaphragm with U rib welds in 13 samples, and 5 samples fatigue crack occurred in the diaphragm arc transitional area, which illustrated that the diaphragm arc transitional area is one of the dangerous places of the fatigue failure. Finite element analysis and stress tests all indicated that this region is in the compressive stress state, but the shear stress is very large, and the fatigue failure belongs to shear fatigue failure. Comparing the experimental data with European standard Eurocode3, we can find it meets the τ-N curve equation of the allowable shear stress amplitude for 100 MPa. The results of this study can provide reference for the strength design and life assessment on the orthotropic deck structure details.

Key words:orthotropic steel bridge; diaphragm arc transition; shear fatigue failure; fatigue test; finite element analysis, stress test

中图分类号：U443.3

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.014

文章编号:1671-6833(2015)02-0062-05

作者简介：吕彭民(1957-)，男，陕西渭南人，长安大学教授，博导，博士后，主要从事结构动力学、结构疲劳强度及优化设计，E-mail:lpmin@chd.edu.cn.

基金项目：江西省交通运输科技项目资助(2010C00003)

收稿日期:2014-10-21；

修订日期：2014-12-18