大节段正交异性钢桥面板模型疲劳试验研究*

曾勇 杨长春 渠昱 谭红梅

(1.重庆交通大学 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 400074;2.重庆交通大学 山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心 400074)

引言

随着国内钢结构的普及, 正交异性钢桥面板在桥梁工程中的应用也日趋广泛。正交异性钢桥面板是由纵向加劲肋和横隔板连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构, 其中因横隔板与纵向加劲肋正交, 且在相互垂直的两方向上刚度不同而谓之正交异性[1]。正交异性钢桥面板因构造与受力复杂特殊、加工工艺繁琐、焊缝数量众多, 在车辆荷载的重复作用下, 常常易产生疲劳裂纹; 而疲劳裂纹的出现将危及正交异性钢桥面板的正常使用及耐久性能[2,3]。随着经济的不断发展和人民生活水平的日益提高, 区域范围的人员流动频繁, 货物运输需求也在增加, 所以桥梁交通流量以及车辆荷载相比原设计规范有明显增长, 疲劳破坏现象在正交异性钢桥面板中更早或更易产生[4]。

如今, 虽然对正交异性钢桥面板的疲劳性能已有相对较多的研究[5～8], 但随着加劲肋的形式、尺寸和间距或桥面盖板厚度的改变, 使得正交异性钢桥面板的疲劳受力会产生一定的偏差。由于构造多变、工艺繁琐、焊缝众多等特性以及缺乏相关疲劳性能试验研究, 便在某种意义上限制了正交异性钢桥面板进一步的应用和发展。本文以某大跨径悬索桥的正交异性钢桥面板为研究对象, 开展1∶2 缩尺的大节段模型疲劳试验研究。节段模型平面尺寸为4.9m×4.45m, 着重研究正交异性钢桥面板的关键细节的疲劳性能, 希望能为钢桥面板设计的经济合理及安全耐用提供些许试验参考, 丰富我国正交异性钢桥面板疲劳试验的数据库。

1 节段模型设计

将悬索桥的吊杆简化为弹性支座以模拟节段模型的边界, 然后运用软件对16m 的标准节段钢箱梁进行计算分析, 以获取模型试验关键疲劳细节处主应力及刚度的理论值; 然后依照实桥正交异性钢桥面板1∶2 的比例对节段模型进行应力分析计算, 其纵桥向的边界情况按照简支考虑, 而横桥向按照两边竖直向下的位移被限制的情况考虑; 在车轮荷载影响区域内,使得关键细节处的测点(苹果形开孔处和U 型肋与横隔板相交焊缝端头处)实测值应与理论计算值保持相同。

钢箱梁节段模型在综合考虑各种实际影响因素下, 采用了比较适宜的缩尺比例1∶2; 同时也进行一定简化, 横桥向保留7个U 肋, 纵桥向保留3个横隔板, 且端头处采用10mm 厚的钢板进行封头处理; 节段模型顺桥向4.45m, 横桥向4.9m; U 肋间距为0.3m, 厚度4mm, 横隔板间距为1.35m, 厚度4mm, 桥面顶板厚度7mm; 分别制作两个高0.1209m、长2.4m、宽0.45m 的钢箱作为桥面板顺桥向端部的支座板, 以保证桥面板不倾斜; 在中横隔板HG1 底部拼接一块带边肋的梯形钢板以尽可能真实模拟节段模型实际受力情况; 根据相似理论模拟实桥节段模型, 采用几何、物理和边界条件相似来进行设计。具体尺寸及构造见图1。

图1 正交异性钢桥面板构造(单位: mm)Fig.1 Structure of orthotropic steel bridge deck(unit: mm)

2 节段模型制作及安装

2.1 模型制作基本要求

正交异性钢桥面板节段模型划分为六个部件(中板一块、边板两块、支座板两块及一块梯形钢板)以使运输便捷, 工厂制作实验室安装。正交异性钢桥面板节段模型的制造应从材料选取、拼装方法到焊接工艺的整套流程全部与实桥的设计严格保持一致性。正交异性钢桥面板为全焊接结构, 即作为整体受力结构, 其焊缝的力学特征须与基材保持一致。

正交异性钢桥面板主体结构均采用Q345qD钢, 其化学成分及力学性能均应符合《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2008)的相关要求;钢板质量等级为Ⅰ级, 且在靠近焊缝区域200mm以内不得含有任何片状夹层缺陷; 模型制造所用钢板均要求按《厚钢板超声波检验方法》(GB/T 2970—2004)所述标准执行探伤检验。由于钢箱梁为全焊接结构, 焊缝数量较多、长度较长, 焊缝选择熔透焊缝, 并须采取焊接变形小的坡口形式; 焊后要求对焊缝表面进行敲打处理, 以削减应力集中的不利影响。

图2 正交异性钢桥面板Fig.2 Orthotropic steel bridge deck

2.2 模型安装

本次试验加载使用常应用于桥隧、房屋、船舶及车辆等大型结构或部件的动、静态性能试验研究的五通道结构动态试验系统(MTS Flex test GT Five Channel Dynamic Structure Testing System)。该系统具有数据结果高精度、加载过程稳定等优点。

MTS 仪器固定于门架上横梁处, 其基本长度为3.31m(可伸长); 门架高约为6.11m, 其上横梁高约为1.27m; 门架平面尺寸为4.9m ×4.45m, 其平面可操作空间尺寸为4m ×3.55m。由于该正交异性钢桥面板节段模型的长度较长,故只能横向摆放; 节段模型的支座板放置在已养护完成的0.6m ×0.6m ×0.6m 的混凝土试块上,二者之间放置一块长度合适的槽钢以使二者间接接触, 且槽钢与混凝土试块采取直径42mm的螺纹钢与地锚连接而固定; 节段模型分批运至安装场地共计6个部件, 在分别采取龙门吊及叉车等设备搬运就位之后, 聘请参与建设实桥的焊接人员及机具按照设计标准进行现场焊接并组装, 见图3。

图3 节段模型组装就位Fig.3 Segment model assembly

3 节段模型测点布置

正交异性钢桥面板节段模型测点主要由中横隔板(HG1)测点及边横隔板测点、横隔板备用测点、U 型肋测点、模型顶板测点及底部位移测点构成, 以认知模型关键位置的应变及变形的分布及变化情况。备用测点—编号前加C,U 型肋测点—编号前加U, 位移测点—编号前加S, 共计粘贴157 片应变片(其中中横隔板(HG1)共88 片)及布置6个位移测点(梯形钢板底部下方设置3个竖直方向位移测点; 中横隔板加劲肋侧面设置3个水平方向位移测点,其支架固定于桥面板底部)。

图4 为横隔板HG1、HG2 和HG3 应变测点的布置图。横隔板纵、横向应力数值比较接近,表征为板效应, 因此主要布置45°三向应变花;中横隔板HG1 增加梯形钢板上设置的辅助测点以消除横隔板底部翘曲效应而尽可能模拟实桥实际受力情况; U 型肋底部主要承受拉力作用, 顶部受力情况较复杂, 故底部布置单向测点, 而顶部布置三向应变花; 采用电阻应变计进行此次疲劳试验的应力测试。

节段模型底部下方均匀设置3个电子位移百分表S01 ～S03, 以测量加、卸载过程中桥面板的挠度变形; 在中横隔板HG1 加劲肋侧面, 位于面板下大约20cm 位置处, 布置3个电子位移百分表S04 ～S06。

图4 横隔板HG1、HG2 和HG3 测点布置Fig.4 Layout of measuring points for HG1, HG2 and HG3 of the transverse diaphragm

4 节段模型加载

根据实际交通状况, 参考BS5400 规范对桥梁设计疲劳荷载的规定, 通过荷载历程计算分析, 以得到桥梁设计寿命内的疲劳荷载频谱值。运用Miner 线性累积损伤理论进行计算, 确定本文研究标准疲劳车辆的总重为325kN, 轴重取145kN, 冲击系数1.15, 按1∶2 模型比例换算试验加载轴重取42.5kN。考虑到交通发展及西部山区货车轴重较大, 故试验采用47.7kN 加载。

此次节段模型疲劳加载试验的荷载加载划分为两类, 一类为桥面铺装等二期恒载作用15kN,另一类为车辆活载作用47.7kN; 前者须使用MTS 仪器的预加力功能实现, 而后者通过MTS仪器进行加载。为尽量实现模拟车辆后轴的真实情况, 在MTS 仪器的着重器与钢桥面板之间增设一个和仪器对应的分力桥, 二者之间通过放置橡胶块而实现间接接触; 同时, 须保证分力桥有足够抵抗变形的能力并避免向外侧翘曲而实现达到模拟车轮的目的。

进行节段模型疲劳试验之前需要进行预加载工作, 该工作完成且所得数据反映模型处于弹性状态以后, 才开展疲劳试验。疲劳试验加载值为15kN ～62.7kN, 试验过程中, 每达到一定循环次数时, 停止疲劳试验而进行静力加载试验, 通过与相邻前几次的各应变测点应变值或位移测点变形值的大小变化, 检查是否有裂纹产生或其他异常现象。循环次数分别达到5、10、20、50、80、100、150、200 万次时, 观察模型某些部位是否有存在开裂现象, 并进行静载试验。静载试验加载历程为: 0kN→30kN→60kN→91.2kN, 达到最大加载值91.2kN 后进行对称逐步卸载, 每当完成一次静力加载或卸载, 待数值稳定后都要进行多次应变或位移测量、记录工作。疲劳循环次数达到200 万次后, 提高加载幅值, 具体数值见表1; 当循环次数达到260 万次后, 终止此次疲劳试验。

表1 疲劳试验加载值Tab.1 Load value of fatigue test

5 节段模型试验成果

现已有较多文献对节段模型中高应力区进行了分析研究, 低应力区域通常也被认定其所产生的疲劳裂纹萌生及开展现象是由所受拉伸作用而造成的, 且正交异性钢桥面板(闭口型)的疲劳有高周低幅的特点, 如果其横隔板处的应力幅较低, 则不会出现疲劳断裂的现象[9,10]。因试验测点较多以致测试数据也较多,且本文仅是要达到了解加载位置下横隔板挖孔处的疲劳特征的目的, 所以只列出中横隔板HG1 挖孔附近测点的数据成果。

5.1 中横隔板HG1的测点静力测试情况

每达到一定疲劳循环次数(200万次以内)后所做的静力加载试验其测试结果列于图5～图7。

由图5 ～图7 分析可知,对称测点其所测试数据与加载关系曲线出现对称特征, 这是因为节段模型左右对称布置且加载位置也具有对称性; 静态加载试验过程中, 测点实测位移及应变值与加载大致呈线性关系, 加载与卸载曲线比较对称且有良好的可恢复性。

图5 循环次数200 万次以内横隔板部分静力测试结果Fig.5 Partial static test results of the diaphragm within 2 million cycles

图6 底部测点竖向相对位移平均值Fig.6 Average value of the vertical relative displacement of the bottom measuring point

图7 顺桥向测点水平相对位移平均值Fig.7 Average value of horizontal relative displacement of measuring points along the bridge

5.2 疲劳裂纹萌生及开展

当循环次数达到200 万次后, 停机并检查模型, 在6#苹果形开孔右上侧的159#和160#测点之间出现了约7.5mm 的疲劳裂纹, 而其余部位未发现疲劳裂纹的产生; 继续加载至260 万次,该处裂纹扩展具体情况见表2 及图8 所示。

表2 疲劳裂纹扩展情况Tab.2 Fatigue crack growth

图8 疲劳裂纹的扩展Fig.8 Propagation of the fatigue crack

6 结论

以某大跨径悬索桥的正交异性钢桥面板为研究对象, 开展比例为1∶2 的大节段模型疲劳试验研究, 试验结果能反映结构的应力分布规律,能反映正交异性钢桥面板的工作状态, 还可反映其关键细节的实际抗疲劳性能, 具有一定的工程参考意义, 也丰富了我国正交异性钢桥面板疲劳试验的数据库。主要结论如下:

1.对称测点其所测试数据与加载关系曲线出现对称特征, 这是因为节段模型左右对称布置且加载位置也具有对称性。

2.静态加载试验过程中, 测点实测位移及应变值与加载大致呈线性关系, 加载与卸载曲线比较对称且有良好的可恢复性; 当应力幅较高时,对称性表现明显, 而应力幅较低时, 测量数据有一定程度的分散, 这可能是由于应变片受力较小而产生漂移所导致。

3.6#苹果形开孔右上侧出现疲劳裂纹, 循环次数达到200 万次时, 其长度约为7.5mm, 当循环次数达到260 万次时, 裂纹扩展至31mm, 可见, 裂纹扩展率随荷载增加而增大; 模型其余部位未发现疲劳裂纹。