鋼桁梁全焊桁片腹桿與節點焊接連接細節疲勞性能試驗研究

衛 星，肖 林，唐繼舜

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

隨著國內大跨鋼橋的建設，新技術、新材料、新結構、新工藝等的應用極大提高了橋梁建造水平。20世紀60年代起，采用整體節點技術拼裝的鋼桁梁在國外逐漸得到推廣，自1995年孫口黃河大橋首次采用整體焊接節點技術，整體節點技術目前已在國內鋼桁梁中得到廣泛應用[1]。目前，鋼桁梁作為鐵路鋼橋的主要形式，連接形式、桿件結構、焊接接頭等方面都發生了較大變化，逐漸由鉚接向栓焊及全焊方向發展。鋼橋構件在設計壽命內需承受由車輛荷載產生的循環應力作用，這些循環應力所產生的損傷累積可能導致橋梁構件形成裂紋并出現疲勞破壞[2]。結構的疲勞損傷通常始于高應力區，如幾何突變處、受拉殘余應力區和尖銳的不連續處等[3]。目前鋼桁梁橋很多部位的連接主要采用焊接技術，焊接過程中引起的焊接殘余應力和初始裂紋缺陷，都會降低焊接細節的疲勞壽命，因此對鋼橋焊接連接細節的疲勞評估尤其重要。美國 Lehigh大學在1966—1974年期間對531根大型焊接鋼梁進行疲勞試驗，通過試驗確定了一些典型構造細節的S-N曲線，為鋼橋細節的疲勞壽命評估奠定了基礎[4-5]。焊接接頭的疲勞性能與接頭形式、焊縫類型、加載情況和制造工藝以及缺陷狀況等密切相關，橋梁運營中，焊接部位一般最容易出現疲勞破壞。鋼桁梁橋全焊桁片中，為避免多條焊縫的交叉，工字形腹桿在與整體節點焊接連接時一般采用過焊孔與交叉焊縫錯開的形式處理。設置過焊孔后，結構截面被削弱且由于局部剛度變化引起較高的應力集中，成為結構疲勞強度的薄弱點。國外學者通過對過焊孔焊接細節開展疲勞試驗研究，得出了有價值的研究結論[6-11]。文獻[12-14]的國外鋼結構設計規范針對過焊孔焊接細節的疲勞強度給出不同的疲勞等級，但國內鋼結構設計規范對該焊接細節的疲勞強度無相關規定，因此，為評估過焊孔焊接細節抗疲勞性能，本文對其開展有限元數值模擬及疲勞試驗研究。

1 鋼桁梁全焊桁片腹桿連接細節

鋼桁梁的主桁桿件、縱(橫)聯桿件與橫梁通過節點連接在一起形成空間結構體系。在普通節點中，相鄰的弦桿、腹桿通過大的拼接板用高強螺栓(鉚釘)連接起來，如圖1(a)所示。整體節點則是將節點板與一端的弦桿焊接成為一個整體，其主桁節點板成為箱形弦桿的一部分，腹桿與主桁節點連接時，腹桿插入節點板中，采用高強螺栓連接，如圖1(b)所示。近年來，按照“全焊代替栓焊”的設計理念，全焊桁片在鋼桁梁橋中得到應用，主桁腹桿與整體節點的連接方式由高強螺栓連接變為直接焊接，如圖1(c)所示。

(a)普通節點

(b)整體節點

(c)全焊節點圖1 鋼桁梁典型節點連接

全焊桁片的工字形腹桿在與整體節點焊接連接時，一般采用過焊孔來避免多條焊縫的交叉，如圖2所示。設置過焊孔后腹板對翼緣的支撐不連續導致“翼緣間隙問題”，與腹板間隙面外變形導致疲勞開裂類似，次應力和變位對連接處的循環應力會產生影響。腹板間隙面外變形疲勞開裂發生在多種橋梁結構中，如在懸索橋的縱橫梁連接處、縱梁的腹板、系桿拱橋的橫梁腹板等[15]。鋼桁梁腹桿翼緣板上存在間隙時，翼緣板面外變形會使焊趾處于高循環應力狀態，導致疲勞開裂。國內對此焊接細節的研究相對較少，現行國內設計規范沒有相關構造疲勞抗力規定。為保證結構耐久性，對于那些構造細節分類不明確且直接承受循環荷載作用的焊接細節，需要開展疲勞性能研究。

圖2 全焊桁片腹桿與節點連接過焊孔細節

2 過焊孔連接細節疲勞試驗模型

2.1 試驗模型構造

為研究過焊孔細節的疲勞性能，疲勞加載試驗模型可以采用整體模型或局部模型。為準確模擬全焊桁片節點腹桿連接細節，同時考慮試驗模型加載的要求，以某鋼桁梁橋全焊桁片節點腹桿連接細節為研究對象，工字形腹桿翼緣板寬0.8 m，腹板高1.2 m，鋼板厚16 mm，腹板焊接細節處帶有半徑為40 mm的過焊孔。綜合考慮試驗設備加載能力，從實際結構上截取局部帶過焊孔焊接細節部件進行疲勞加載試驗。試驗模型長1.29 m，包括0.3 m的焊接細節研究段和兩側連接錨固段(各0.495 m)兩部分，翼緣寬度取10 cm，腹板高度取10 cm。為了防止施加荷載時荷載偏心對試驗的影響，試驗模型采用十字形對稱截面。試驗模型結構如圖3所示。

(a)立面圖

(b)平面圖圖3 疲勞試驗模型(單位：mm)

試驗模型鋼材的材質、力學性能和化學成分與橋梁結構所用鋼材一致，試樣的受力方向宜與鋼材軋制方向一致。試驗模型材料為Q345C，腹板和翼緣焊接采用角焊縫形式。

2.2 應力場分析

為保證試驗模型真實反映實際橋梁結構焊接細節的受力狀況，宜先對其應力場分布狀態及應力集中系數進行分析。利用有限元軟件ANSYS建立試驗模型和實橋桿件空間模型，利用對稱性，實橋模型及試驗模型均取1/4部分進行分析，如圖4所示，在對稱面上施加對稱約束。

端部施加位移荷載，使板件平均應力達到50 MPa，此時過焊孔焊接細節附近的應力場分布狀態如圖5所示。

(a)實橋桿件模型(1/4)

(b)試驗模型(1/4)圖4 有限元模型

(a)實橋桿件模型

(b)試驗模型圖5 過焊孔細節應力分布(單位：MPa)

對比分析表明，試驗模型焊接細節過焊孔處的實際應力分布與實橋桿件模型一致，腹板上過焊孔頂部及過焊孔端部在翼緣板焊接處出現較大的拉應力。表1為實橋桿件模型及試驗模型應力集中系數，可以看出試驗模型的應力集中系數略大于實體結構。

表1 過焊孔焊接細節應力集中系數

2.3 加載方案設計

疲勞試驗模型采用美國MTS公司制造的全自動液壓伺服疲勞試驗機進行加載。疲勞荷載采用正弦波加載，荷載應力比0.1。通過調整最大荷載Pmax及最小荷載Pmin，使3組試驗模型研究段名義應力分別為99、81和63 MPa。表2為疲勞試驗加載參數。

表2 疲勞試驗加載參數

試驗模型豎直放置，一側錨固段通過螺栓連接到作動器上，另一側錨固段通過螺栓與錨固在地面上的地錨梁連接，如圖6所示。

圖6 試驗加載示意

3 疲勞試驗結果

3.1 破壞模式

試驗模型在疲勞荷載作用下發生疲勞破壞，其破壞過程如下：首先在過焊孔邊緣與翼緣板交接的焊趾處產生疲勞裂紋，如圖7(a)所示。隨著疲勞循環荷載次數的增加，焊接細節的疲勞損傷不斷累積，逐漸沿翼緣板的厚度方向形成貫穿的裂紋，在此過程中裂紋也在沿翼緣板的寬度方向發展，如圖7(b)所示。

隨著疲勞荷載次數的進一步增加，沿翼緣板的寬度方向形成貫穿的裂紋，這期間腹板上并未發現明顯的疲勞裂紋。由于翼緣板貫穿斷裂，結構局部受力發生變化，結構最薄弱的部位是腹板過焊孔孔頂處，隨著疲勞循環荷載的逐漸增加過焊孔孔頂產生疲勞裂紋，沿腹板的邊緣逐漸擴展，最后沿腹板寬度方向形成貫穿裂紋，如圖7(c)所示。

當焊接細節的有效截面減小到不足以承受疲勞循環荷載時，結構失效，如圖7(d)所示。

(a)翼緣板起裂

(b)翼緣板貫通

(c)腹板開裂

(d)最終斷裂圖7 疲勞裂紋擴展模式

3.2 疲勞壽命

疲勞壽命為疲勞荷載作用下試樣疲勞斷裂時的應力循環次數。對于過焊孔焊接細節，不同的裂紋擴展長度對應不同的加載循環次數。表3為裂紋擴展長度分別為30 mm(工況1)和60 mm(工況2)時的疲勞壽命。

表3 疲勞壽命

我國《公路鋼結構橋梁設計規范》[16]參考歐洲Eurocode 3給出了過焊孔焊接細節疲勞強度，但我國《鐵路橋梁鋼結構設計規范》對該細節無相關規定。圖8為過焊孔疲勞試驗結果與《鐵路橋梁鋼結構設計規范》中焊接細節Ⅺ級S-N曲線的比較結果?？梢钥闯?，過焊孔焊接細節的應力幅與循環次數變化規律與Ⅺ級S-N曲線接近，200萬次循環加載對應的疲勞強度低于試驗結果60.2 MPa(圖5)。

圖8 疲勞試驗結果

4 過焊孔連接細節疲勞性能評估

文獻[6-10]為研究過焊孔焊接細節的疲勞性能，采用不同的試驗模型開展疲勞試驗研究。表4為6組共42個過焊孔細節疲勞試驗數據統計。

國外鋼結構設計規范對過焊孔焊接細節的疲勞強度有不同的定義。表5列出了日本鋼結構協會(JSSC)設計規范、歐洲Eurocode 3規范及國際焊接學會(IIW)規范中，200萬次循環加載對應的應力幅。

表4 疲勞試驗數據

表5 國外規范中過焊孔細節疲勞強度

圖9為42個疲勞試驗結果S-N散點與設計規范S-N曲線。

圖9 試驗結果與規范S -N曲線

對國內外研究結果的研究表明：過焊孔焊接細節受到剪力作用時，翼緣板會產生面外變形，翼緣板間隙變形引起的次應力會降低其疲勞壽命。正應力與剪應力共同作用下，剪應力與正應力的比值越大，其疲勞強度越低。JSSC規范及IIW規范中均考慮了翼緣板剪應力對過焊孔焊接細節疲勞強度的降低。

焊接細節S-N曲線應滿足方程

ΔσmN=C

( 1 )

式中：Δσ為應力幅，MPa；N為疲勞壽命，次；m為雙對數座標圖上直線斜率的負倒數；C為常數。m、C均為待擬合的常數。

在雙對數坐標圖中，lgΔσ和lgN呈線性關系，則式( 1 )可表示為

lgN=lgC-mlgΔσ

( 2 )

由于T4組試驗數據剪應力與正應力比值偏大，不適用于主要受軸力作用的鋼桁梁腹桿與整體節點連接細節。采用最小二乘法僅考慮T1、T2、T3及T5組試驗數據，取m=3，可以計算得到擬合式

lgN=12.17-3lgΔσ

( 3 )

對橋梁結構而言，一般取lgN的均值減2倍標準差作為置信區間的下限(非破壞概率為97.7%)，此時S-N曲線擬合式為

lgN=11.8-3lgΔσ

( 4 )

根據式( 4 )可以計算出當N=200萬次時，疲勞應力幅值為Δσ=68.1 MPa，與Eurocode 3規范規定的71 MPa較接近。

若僅考慮SQ組試驗數據，取m=3，可以計算得到擬合式

lgN=11.65-3lgΔσ

( 5 )

考慮97.7%的保證率，此時S-N曲線公式為

lgN=11.5-3lgΔσ

( 6 )

根據式( 6 )可以計算出當N=200萬次時，疲勞應力幅值為Δσ=54.1 MPa。與JSSC規范規定的50 MPa較接近。

圖10給出了疲勞試驗結果與各組擬合S-N曲線的對比關系。

圖10 試驗擬合S -N曲線

由于材料、焊接工藝、局部構造細節的不同，從疲勞試驗結果看，國外疲勞試驗得到的過焊孔細節疲勞強度明顯高于本文試驗結果。對比分析表明，鋼桁梁全焊桁片腹桿與節點連接過焊孔細節疲勞設計強度不能直接按照國外規范取值，本文疲勞試驗得到的過焊孔細節疲勞強度介于Eurocode 3規范(71 MPa)和JSSC規范(50 MPa)之間。

5 結論與建議

通過對全焊桁片工字形腹桿與整體節點焊接連接過焊孔細節的疲勞試驗，可以得出以下結論：

(1)全焊桁片的工字形腹桿與整體節點焊接連接過焊孔細節由于局部剛度變化引起較高的應力集中，是結構疲勞損傷的薄弱點。

(2)有限元應力分析表明，過焊孔焊接細節翼緣板處應力集中系數達1.9，腹板處應力集中系數達2.2。

(3)循環荷載作用下，過焊孔邊緣與翼緣板交接的焊趾處首先產生疲勞裂紋，逐漸沿翼緣板的厚度方向和寬度方向發展。

(4)過焊孔焊接細節受到剪力作用時，翼緣板間隙變形引起的次應力會降低其疲勞壽命。剪應力與正應力的比值越大，其疲勞強度越低，可參考IIW規范評估過焊孔焊接細節疲勞性能。

(5)根據疲勞試驗數據擬合結果，全焊桁片的工字形腹桿在與整體節點焊接連接過焊孔細節200萬次循環加載對應的疲勞強度為54.1 MPa。

本文基于9個過焊孔焊接細節疲勞試驗數據擬合得到的S-N曲線，需要更多后續試驗數據予以檢驗與修正。

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