钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝疲劳试验

田 圆吉伯海杨沐野傅中秋姜竹生

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.江苏省交通运输厅工程质量监督局,江苏南京 210004)

钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝疲劳试验

田 圆1,吉伯海1,杨沐野1,傅中秋1,姜竹生2

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.江苏省交通运输厅工程质量监督局,江苏南京 210004)

为研究钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝的疲劳性能,采用机械型振动疲劳试验机对制作的9个试件进行等幅疲劳加载,并通过名义应力和热点应力2种方法对试件焊缝疲劳性能进行评价。试验结果表明:疲劳荷载作用下,试件疲劳裂纹开展路径均从焊趾处萌生、沿焊趾开展、最终垂直于焊趾沿板横向往两侧对称扩展。采用名义应力法时,试验结果均位于JSSC-G疲劳强度为50 MPa的S-N曲线上方;采用热点应力法时,试验结果均位于Eurocode 3规范疲劳强度为100 MPa的S-N曲线上方。建议本试验构件疲劳细节的角焊缝疲劳强度取名义应力50 MPa、热点应力100 MPa。

钢桥面板;竖向加劲肋;角焊缝;疲劳试验

正交异性钢桥面板由于施工便捷、极限承载力高、自重小、造型美观等特点,在国内外桥梁建设中得到广泛应用,几乎运用于各种桥型[1]。但由于正交异性钢桥面板构造复杂,构件间交错连接和焊接部位多,在荷载作用及结构本身缺陷、焊接残余应力等因素影响下极易出现疲劳破坏[2]。钢桥面板疲劳分类、产生时间统计表明,大部分钢桥面板顶板裂纹发生在通车30 a左右,少部分发生在通车7 a内[3]。钢桥面板疲劳裂纹初期检测难、发展迅速,严重的可能会造成突发性桥面坍塌等事故。国外对各地区的钢桥面板疲劳进行了大量研究,并从疲劳损伤、裂纹路径等方面对多种疲劳细节开展了大量试验和分析工作[4],制定了较为系统的设计规范。

我国正交异性钢桥面板的应用发展迅速,已广泛应用于大跨桥梁。我国现行的公路桥梁钢结构设计规范是交通部1986年颁布的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》[5],该规范对于疲劳设计依旧采用容许应力法,而新规范尚在修订之中[6]。现行的《铁路桥梁钢结构设计规范》[7]中虽在构造细节的S-N曲线中加入了可靠度的方法,但在设计方法上依旧采用基于容许应力法的无限寿命方法。尽管国内学者近年来针对钢桥面板的疲劳性能进行了大量研究[8-11],但不足以适应实际工程的需求发展。由于没有成熟的设计参考,目前国内桥梁钢结构设计与研究单位大多借鉴国外规范[12]。

在正交异性钢桥面板中,钢桥面板与竖向加劲肋连接处角焊缝是典型的疲劳细节之一,在车辆荷载等因素作用下由于应力集中、焊接缺陷等原因极易产生疲劳裂纹。本文针对该疲劳细节进行试验研究,并根据试验结果,提出该疲劳细节的建议疲劳强度曲线,以期为钢桥面板疲劳设计提供一定的试验依据。

1 试件模型设计

1.1 试件尺寸及材料

试验共设计制作9个试件,编号分别为SJ1-1～SJ1-9。依据我国实桥设计图纸,竖向加劲肋与钢桥面板顶板垂直相交,采用角焊缝围焊方式连接固定。制作该焊缝疲劳细节的局部足尺模型,模型几何尺寸设计借鉴类似疲劳细节试件[4],试件几何尺寸设计如图1所示。

试件材料与实桥材料一致,采用12 mm厚的桥梁专用Q345qD钢板。经检测,该批次试件材料化学成分检测结果及力学特性检测结果符合《桥梁用结构钢》[13]标准,钢材屈服强度Re=453 MPa,抗拉强度Rm= 594 MPa,伸长度A=26%,弹性模量E=2.06×105MPa。

1.2 试件加工工艺

由于焊接质量直接影响焊缝疲劳性能,因此试件加工工艺对试验结果有重要影响。试验试件委托国内大型专业桥梁钢结构加工厂——中铁宝桥(扬州)有限公司进行加工;试件焊接加工工艺和实桥焊接加工工艺一致,采用CO2气体保护焊进行俯焊焊接,角焊缝焊脚尺寸为6 mm。焊前清除板件上焊缝周围30 mm区域内的锈蚀、污垢等。焊接工作由加工厂具有焊接资质的焊接工人进行。通过点焊立件,尾部使用引弧板,采用角焊缝围焊一道焊顺序完成焊接。焊缝包角处弧状焊缝需严格要求,需要一次完成,不得断弧,以减少焊缝包角处因分段焊接所引起残余应力不均等对试件焊缝包角处疲劳性能的潜在影响。焊接完成后切去引弧板,并对焊缝表面进行清渣处理。焊接后变形的试件需进行机械调直。通过统一的机械化及标准化操作流程,保证试件工艺水平和加工质量稳定。对加工完成后的试件逐个进行磁粉探伤检测以及超声波探伤(Ⅰ级)检测,检测结果表明该批次试件合格。

2 试验加载方案

2.1 测点布置

每个试件上布置4个测点(CD1～CD4),如图2所示。根据欧洲规范Eurocode 3[14],热点应力通过测点应力外推得到,测点布置有两点外推及三点外推2种方式,本次试验采用两点外推法,角焊缝包角处焊趾部位热点布置测点为CD1、CD2。名义应力法对各个疲劳细节尚无统一的测点布置[15],本次试件测点布置参考同类型试验[4]测点布置,以便试验结果间进行比较。名义应力测点布置选择角焊缝附近数值稳定、受边界条件和焊缝影响较小的测点,以便比较不同试件的受力和应力状态。名义应力测点对称布置为CD3、CD4。

2.2 试验加载

试验采用机械型振动疲劳试验机对悬臂试件进行弯曲疲劳加载。将试件一端与机架固定,在悬臂端固定机械型振动疲劳试验机,通过电机偏心转动带动试件上下振动,实现对试件的弯曲疲劳加载。试验加载装置如图3所示。

根据名义应力幅将9个试件分成3组进行加载,3组名义应力幅等级分别为60MPa、85MPa、110MPa,实际加载的名义应力幅浮动范围在10%以内。若试验中出现试件疲劳荷载循环超过1000万次仍未检测出裂纹,则定性为试件失效,提高名义应力幅等级继续试验,其相关试验数据需特别标出,仅供参考。试验实际疲劳加载参数见表1。

2.3 疲劳失效判定

试验的疲劳失效判定以疲劳裂纹开展阶段为基准,根据实桥疲劳裂纹路径观测,此类焊缝疲劳裂纹从围焊端部弧型角焊缝焊趾处起裂,后垂直焊趾向两侧对称开展。在试验中,裂纹开展过程不便于肉眼观测,超声探伤仪器检测亦不适用于裂纹动态开展的情况,因为疲劳加载中试件振动剧烈,超声波探头位置难以固定,影响判断。本文试验采用一种简单有效的方式观测疲劳试验进行中的裂纹扩展情况,即裂纹扩展气泡动态指示法。疲劳加载过程中,在起裂部位喷涂少许除锈油,试件开裂位置由于裂纹开合使油体表面生成小气泡,可以直观有效地辅助判断裂纹扩展的位置。基于气泡动态指示检测法,定义试件疲劳寿命采用的标准为:(a)N趾,初次观察到焊趾处裂纹时的试件疲劳循环次数,即裂纹萌生寿命。(b)N10,裂纹开展最长侧的裂纹尖端到焊趾最近点距离为10 mm时,定性为试件疲劳破坏,对应的疲劳循环次数定义为试件疲劳寿命。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

裂纹开展模式如图4所示,由图4可知其与实桥开展模式基本相同。根据观测,该疲劳细节裂纹开展路径方式较为一致,均从角焊缝包角处焊趾部位起裂,沿焊趾开展一段后垂直于焊趾方向沿板横向向两侧开展。整个裂纹开展过程疲劳裂纹两侧开展速率基本一致,裂纹成对称开展,如图5所示。SJ1系列试件疲劳试验结果见表2。

试件破坏后的疲劳破坏断面如图6所示。该疲劳破坏断面最终形态一致,基本呈对称开展的半椭圆形曲线,在断面中间部位裂纹深度最大,并最终贯穿板厚方向。

3.2 疲劳强度评价

在国内,尚未见相关桥梁钢结构疲劳规范或指南为钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝疲劳细节提供可参考的S-N曲线。因此,基于欧洲规范Eurocode 3、日本钢道路桥疲劳设计指南[16](简称为JSSC)、英国规范BS 5400[17]中的近似疲劳细节对应的疲劳强度曲线对本文试验进行评价和比对。将试验结果与Yamada等[4]进行的相似疲劳细节试件试验结果(简称为JP)进行比较。

试验以N10作为疲劳失效的疲劳循环次数,试验数据点全部落在JSSC-G、BS 5400-F2的S-N曲线上方,部分数据落在Eurocode 3对应疲劳强度曲线下方,试验数据点落在JP的试验数据点群内,数据离散性较小,如图7(a)所示。采用BS 5400-F2疲劳强度曲线评价,该疲劳细节偏安全;采用Eurocode 3对应疲劳强度曲线评价该疲劳细节,部分数据点落在S-N曲线下方。根据试验结果,建议采用JSSC-G疲劳曲线对该疲劳细节进行评价,即建议采用疲劳强度为50 MPa的S-N曲线对钢桥面板与竖向加劲肋连接处焊缝端部疲劳细节进行设计和评价。试验中N趾数据点落在JP的N趾点群中,且试验试件裂纹萌生寿命总体比JP的试验结果离散性小,如图7(b)所示。

CD1和CD2依据热点应力两点外推法进行测点布置,两点外推法公式为

式中:σhs——热点应力;σ0.4t、σ1.0t——距离热点位置0.4t处及1.0t处的表面应力,t为主板厚度。

根据式(1)对热点应力进行数值外推,以N10为疲劳失效评价标准的热点应力法试验结果如图8所示,其中ⅡW-90(ⅡW-100)代表国际焊接学会规定的钢板与加劲肋该类结构的S-N曲线标准为在200万次加载下构件的疲劳强度为90 MPa(100 MPa)。欧洲规范Eurocode 3的热点应力法焊接接头疲劳细节分类不包括本文试验试件疲劳细节,采用类似疲劳细节对应的疲劳强度对试验结果进行比较参照。与名义应力法相比,采用热点应力法评价该疲劳细节针对性更强,可以反映复杂受力影响下焊缝疲劳裂纹开展的实质,但试验结果的离散性更大,采用疲劳强度为100 MPa和90 MPa的2个等级疲劳曲线对试验结果进行评价结果均偏安全,对该疲劳细节设计和评价建议可参考Eurocode 3中热点应力法疲劳强度为100 MPa的S-N曲线。

4 结 论

a.疲劳裂纹均从角焊缝包角处焊趾部位起裂,沿焊趾开展一段后垂直于焊趾方向沿板横向两侧开展。疲劳裂纹两侧开展速率基本一致,裂纹成对称开展。

b.通过参考比对Eurocode 3、JSSC、BS 5400等规范类似名义应力疲劳细节定义,建议采用JSSC中G等级的S-N曲线来设计与评价该疲劳细节,本文试验结果均位于JSSC-G(疲劳强度为50 MPa)的S-N曲线上方。对于本文试验试件疲劳细节,建议名义应力疲劳强度采用50 MPa。

c.Eurocode 3中热点应力法两类S-N曲线评价试验结果均偏安全,建议试验试件疲劳细节参考Eurocode 3热点应力疲劳强度100 MPa的S-N曲线。

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Fatigue experimental investigation of steel bridge deck plate and vertical stiffener connection fillet weld

TIAN Yuan1,JI Bohai1,YANG Muye1,FU Zhongqiu1,JIANG Zhusheng2
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Engineering Quality Supervision Bureau,Department of Communications of Jiangsu Province, Nanjing 210004,China)

In order to study the fatigue performance of a steel bridge deck and a vertical stiffener connection fillet weld,a mechanical vibration fatigue testing machine was used to test nine specimens with constant amplitude fatigue loading,and the fatigue performance of the welds of the specimens was evaluated with two methods,the nominal stress and hot spot stress methods.The test results show that,under the fatigue load,the specimens' fatigue crack initiation occurs on the weld toe,and then the cracks grow along the weld toe and finally extend in bilateral symmetrical manner along the plate transverse,which is perpendicular to the weld edge.With the nominal stress method,the test results are above theS-Ncurve in JSSC-G,which has a fatigue strength of 50 MPa.With the hot spot stress method,the test results are above theS-Ncurve in Eurocode 3 specification,which has a fatigue strength of 100 MPa.The results suggest that the fatigue strength of the fillet weld of the test specimens'fatigue details should be set at 50 MPa for nominal stress and 100 MPa for hot spot stress.

steel bridge deck;vertical stiffener;fillet weld;fatigue test

TG405

:A

:1000-1980(2014)05-0433-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.011

2013-09 25

国家自然科学基金(51278166);高等学校博士学科点专项科研基金(20120094110009);江苏省交通科学研究计划(2013Y10-1)

田圆(1989—),女,江苏镇江人,硕士研究生,主要从事钢桥疲劳与维护研究。E-mail:bs911@163.com

吉伯海,教授。E-mail:hhbhji@163.com