江陰大橋節段式鋼箱梁的疲勞性能研究*

饒建輝，韓曉東，汪 鋒，張 劍，艾 軍

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

江陰大橋節段式鋼箱梁的疲勞性能研究*

饒建輝1，韓曉東2，汪 鋒1，張 劍2，艾 軍2

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

針對一些現役鋼箱梁橋梁上發現的病害，以江陰大橋鋼箱梁焊接細節為研究對象，設計了節段式鋼箱梁焊接細節模擬試件，研究了該試件在疲勞荷載作用下的疲勞性能。研究顯示，在疲勞試驗開始前，試件上的測點a～f在25 kN靜荷載作用下的應力值分別為255.57、261.50、221.34、224.39、167.11和177.71 MPa；在加載上/下限值為25 kN/5 kN、頻率為3 Hz的疲勞荷載后，試件從產生肉眼可見的裂紋到破壞需要0.57萬次；基于殘余應變的累計損傷公式可以較好地反映該試件的損失發展過程。

鋼箱梁；疲勞試驗；殘余應變；損傷

伴隨國民經濟的發展、交通事業的進步、橋梁設計理論和施工技術的不斷完善，我國各地相繼興建了一大批大跨度鋼箱梁公路橋梁，如虎門大橋、江陰大橋、南京二橋、蘇通大橋以及西堠門大橋等。隨著時間的推移，相關人員陸續地在一些大跨度鋼箱梁橋梁中發現了一些病害。如周怡斌[1]在2008年發現國內某橋出現了大量橋面板裂縫。張麗芳[2]等詳細調研了國內江陰大橋、虎門大橋和西陵長江大橋鋼箱梁的病害種類、病害特點及主要發生部位。橋梁病害的出現，嚴重影響了橋梁的安全運營，導致了災難性的事故，如2001年11月7日清晨，我國宜賓金沙江橋[3]的4對短吊桿由于腐蝕疲勞突然斷裂，局部橋面墜落江中；因此，對橋梁鋼箱梁結構疲勞性能的研究，具有重大的工程意義和現實意義。

針對一些現役鋼箱梁橋梁上發現的病害，本文以江陰大橋鋼箱梁焊接細節為研究對象，設計了節段式鋼箱梁焊接細節模擬試件，并研究了該試件在上/下限值為25 kN/5 kN、加載頻率為3 Hz的疲勞荷載作用下的疲勞性能。

1 試驗設計

1.1 試件與測試內容

本次試驗使用的試件如圖1所示，試件材料為Q345b鋼，焊接材料為E50型。

圖1 節段式鋼箱梁試件的尺寸

本次試驗主要測試縱肋和橋面板之間坡口焊的疲勞強度，因此在縱肋與橋面板上均粘貼應變片。應變片的粘貼位置為離坡口焊焊根15 mm處[4]，在沿縱肋方向上(距端面30、90、150和210 mm處)粘貼4組，即每個試件粘貼24個應變片。為了便于數據統計分析和盡量減少因貼片位置引起的誤差，本次試驗取6個測點(見圖2)，并把每個測點上4個應變值的算術平均值作為該位置測點的應變值。

圖2 測點的布置位置

1.2 試驗方案

本次試驗采用正弦波常幅加載，疲勞荷載上/下限值為25 kN/5 kN，加載頻率為3 Hz。具體的試驗過程為如下。

1)預加載。將試件兩端鉸支，中間單點加載，疲勞試驗機作動器與試件蓋板之間放置表面尺寸為300 mm×200 mm的鋼板和橡膠板各1塊，用以模擬均布作用的車輪荷載。荷載作用中心落在試件整個蓋板的中心位置。在正式試驗前對試件施加荷載，使得試件與支座剛好接觸時停止。

2)第1次靜載。分六級加載至疲勞荷載上限25 kN，即分別在0、5、10、15、20和25 kN各級靜荷載作用下等待一段時間，待應變數值穩定后記錄數據，然后卸載到0 kN。

3)動載。第1次靜載試驗完成后，將試驗機設置為動態加載，反復調節，保持疲勞荷載穩定。當荷載循環次數N分別達到1、2、4、8、12、16、22、28、34和42萬次等時停機，然后分6級加載至25 kN，記錄在0、5、10、15、20和25 kN各級靜荷載作用下各應變片的讀數，之后卸載到0繼續加動載。

4)試驗結束。當試驗機位置超限時，停止試驗，記錄承受循環荷載的次數及疲勞破壞特征。

2 試驗結果

2.1 試驗現象

本次試驗的試件疲勞壽命為18.57萬次。在18萬次以前，試件沒有發現肉眼可見的裂紋。當荷載循環到18萬次時，從FTS多通道協調加載系統疲勞試驗機的軟件界面中發現，隨著加載次數的增加，撓度荷載曲線整體發生了偏移，由此可以斷定試件產生了比較大的裂紋，此時觀察試件的表面，發現測點a和b2處涂層出現明顯可見的微裂紋。當循環到18.3 萬次后，發現測點b處涂層裂紋連貫成1條大裂紋，但未形成貫穿整個鋼板面的裂紋。大約循環到18.4萬次時，涂層裂紋貫穿于整個鋼板平面。循環到18.57萬次時，試驗機位置超限而自動停機。

2.2 疲勞試驗

本次試驗選取測量靜載時的靜應變代替循環到一定次數下的動應變[5]，并由此分析測點位置處的殘余應變，得到試件在整個試驗過程中的損傷發展情況。試件各測點位置在特定疲勞次數下的應變隨加載等級變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，各測點應變變化情況基本上隨外荷載線性增加而線性變化。在外荷載的作用下， 測點a和b處應

變變化的幅度較大，點c和d處次之，點e和f處最??；從各循環階段開始時所測得的殘余應變值可以發現，殘余應變的值在穩定的增加，增幅較大的為測點a和b，其次為測點c和d，最后為測點e和f。

圖3 試件各測點應變隨荷載變化曲線

2.3 基于殘余應變的累積損傷研究

2.3.1 損傷變量的定義

研究疲勞破壞的方法很多，疲勞損傷積累理論認為，當零件或構件所受應力高于疲勞極限時，每一次載荷循環都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當損傷積累到臨界值時，零件或構件將發生疲勞破壞。潘華[6]通過理論推導出損傷變量D與累積殘余塑性應變εr的關系，并且通過試驗實測混凝土的殘余應變值驗證了這個公式，而余波[7]則通過對蘇通大橋橋面板試件的試驗驗證了該公式的正確性。具體的損傷變量D定義如下：

(1)

2.3.2 損傷變量的計算

本次試驗中，由于無法測出試件在破壞時的應變片讀數，所以無法知道測點最終的損傷值大小。通常D=0表示材料未損傷，D=1表示材料全部損傷。本文取最終的損傷值D為1，取裂紋萌生和擴展階段的損傷值D為0.5。試件測點a疲勞殘余應變變化曲線和損傷變化曲線如圖4所示。觀察圖4b可以發現，試件損傷大致可分為3個階段，第1個階段為1條直線，第2段曲線緩慢發展，曲線走勢與指數函數相似，第3段曲線發展迅速，也為1條曲線。本文采用下述分段函數來描述整個壽命過程中的損傷累積規律，分段函數為：

(2)

式中，x=n/N，n為實際循環次數，N為疲勞壽命；D1、D2、D3為各階段損傷值；a1、b1、b2、c1、c2為系數。對數據進行擬合，得到試件的損傷累積公式為：

(3)

圖4 試件測點a疲勞殘余應變變化曲線圖和損傷變化曲線圖

試件損傷模型與試驗實測數據對比圖如圖5所示，由圖5可以看出，本文提出的損傷模型較好地反應了測點處損傷的發展過程。文獻[7]與試件損傷模型對比圖如圖6所示，由圖6可以看出，本文提出的損傷模型較好地反應了文獻[7]中測點處損傷的發展過程。事實上，式2中的系數并不是常數，而是應力水平、外界環境和加載方式等的函數，因此，本文提出的損傷公式只適用于同本文試驗條件相同的累積損傷研究。

圖5 試件損傷模型與實測數據對比圖

圖6 試件損傷模型與文獻[7]實測數據對比圖

3 結語

針對一些現役鋼箱梁橋梁上發現的病害，對江陰大橋鋼箱梁試件的疲勞性能進行了研究。疲勞試驗開始前，測點a～f在25 kN恒定荷載作用下的應力值分別為255.57、261.50、221.34、224.39、167.11和177.71 MPa；在上/下限值為25 kN/5 kN、頻率為3 Hz的疲勞荷載作用下，鋼箱梁試件從產生肉眼可見的裂紋到破壞需要0.57萬次；基于殘余應變的累計損傷公式可以較好地反映鋼箱梁試件的損失發展過程。研究結論可供工程設計參考。

[1] 周怡斌.公路大橋正交異性鋼橋面板裂縫成因研究及局部疲勞分析[D].北京：清華大學,2010.

[2] 張麗芳,艾軍,張鵬飛,等.大跨度鋼箱梁病害及成因分析[J].公路與汽運,2013(3):203-206.

[3] 錢冬生.科學地對待橋渡和橋梁[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[4] 錢冬生.關于正交異性鋼橋面板的疲勞[J].橋梁建設,1996(2)：9-11.

[5] 李榮.角焊縫搭接接頭疲勞壽命預測研究[D].南京:東南大學,2006.

[6] 潘華.混凝土受彎構件疲勞性能的試驗研究[D].南京:東南大學,2006.

[7] 余波.基于實測應變的正交異性鋼橋面板構造細部疲勞壽命評估[D].南京:東南大學,2009.

*江蘇揚子大橋股份有限公司資助項目(GCJS2014-37)

責任編輯彭光宇

StudyontheFatiguePropertiesofSectionalSteelBoxGirderinJiangYinBridge

RAO Jianhui1，HAN Xiaodong2，WANG Feng1，ZHANG Jian2，AI Jun2

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521，China；2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016，China)

Owning to some disease found in the active steel box girder bridge, this paper takes the JiangYin bridge steel box girder welding details as sample, and designs the specimen about the details welding of sectional steel box girder, which is studied with the fatigue properties in the fatigue load level 5 kN/25 kN and fatigue frequency 3 Hz. The results show that the stress of the measuring pointain 25 kN is 255.57 MPa before the fatigue test, sobis 261.50 MPa,cis 221.34 MPa,dis 224.39 MPa,eis 167.11 MPa andfis 177.71 MPa; The steel box girder specimens producing visible cracks to destroy needs 5 700 times; Formula which is based on the cumulative damage can better reflect the test steel box girder damage development process of specimen.

steel box girder, fatigue test, residual strain, damage

U 441

：A

饒建輝(1958-)，男，大學本科，主要從事工程管理等方面的研究。

2014-12-09