正交异性板钢桁结合梁焊接细节疲劳性能分析

黄鹤， 秦攀

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430052)

正交异性板钢桁结合梁结构自重较轻，其自重仅为同体积PC梁的1/5，因此对于跨度较大且对自重要求较高的桥梁，正交异性板钢桁结合梁是一种极具优势的构造形式。正交异性板钢桁梁制造工艺主要由纵肋及各桁架结构与桥面盖板焊接而成，在桥梁运营过程中，由于其构造细节及节点多，各焊接连接部位的受力情况复杂，因此对于其构造细节疲劳性能的研究十分必要。肖林，刘丽芳[1]等采用XFEM(扩展有限元法)，在断裂力学的基础上，对过焊孔构造细节的裂纹扩展过程中的疲劳寿命进行了评估，得出翼缘板与腹板交界处的焊缝较薄弱的结论；叶星汉、曹一山[2]等制作了正交异性钢板U肋与盖板的试件，并对焊接节点进行了疲劳试验，通过实测数据对其疲劳寿命进行了预测与评估，结果显示U肋与盖板在循环加载下出现裂纹，裂纹在初期缓慢扩展，当裂纹的路径通过盖板后加速扩展；崔丽君、于瑾[3]等利用Ansys建立了梁柱节点的焊接模型，并通过热弹塑性理论，给出了该构件温度场下的残余应力；张清华、罗鹏军[4]等设计了7组试件对镦边纵肋与顶板焊接构造细节进行了疲劳试验研究，试验证明这一新型构造细节在抗疲劳方面无明显改善；廖小伟、王元清[5]等利用自己编写的S-N曲线的疲劳评估程序，对钢桥的3种焊接细节进行了试验，并采用Abaqus验证了该程序对于钢桥焊接疲劳评估是可行的；Ali,ShahramShahrooi[6]等用无网格局部Petrov-Galerkin方法预测了焊接残余应力场中的疲劳裂纹扩展；AraqueOscar、Arzola Nelson[7]等利用Ansys建立模型研究了对接焊接接头试样在轴向力作用下产生疲劳从而引起的裂纹行为，并通过计算裂纹前沿的应力强度因子，得出由于几何应力的集中效应，使得位于焊趾中的应力与焊接钢筋的尺寸成比例的最大化；Giovanni Meneghetti、Alberto Campagnolo[8]等采用峰值应力法对焊接接头进行了疲劳设计，并通过试验验证了其有效性；Krzysztof[9]通过试验研究了采用一种新型焊接技术制造的弧焊接头的疲劳特性；Timothy D. Righiniotis、MariosK[10]等研究了概率断裂力学方法在桥梁谱加载下裂缝存在下预测焊接钢细节疲劳寿命的应用，基于模拟疲劳裂纹扩展的双线性关系，并结合了破坏标准来描述裂缝和塑性坍塌之间的相互作用。可见国内外学者对于焊接疲劳特性进行了大量研究，开辟了一系列的理论方法，但是对于正交异性板钢桁结合梁构造细节的疲劳研究则较少。金正凯、卜之一[11]等基于Kriging方法，建立某正交异性板钢桥面板模型，并对其进行了抗疲劳参数优化设计；王会利、秦泗凤[12]针对大连星海湾大桥的双层钢桁架结构进行了疲劳试验，并建立了有限元模型进行对比，结果表明：大部分节点的疲劳容许应力都低于试验值；周细辉、黄坤[13]利用Ansys对钢桥面板纵肋对接焊缝的疲劳裂纹进行了裂纹扩展特性研究，通过计算应力强度因子研究了裂纹扩展过程中的规律。

该文以某正交异性板钢桁结合梁为背景，制作了该桥3处典型构造细节的试件，并对这3个试件设计了静载试验与疲劳试验，将试验与有限元分析相互结合，分析这3种细节的疲劳性能，并将试验分析结果反馈到设计，及时修正该桥制造中的部分构造细节。

1 疲劳试件设计与制造

根据实桥情况分别设计了该桥构造细节的3组试件，3组试件分别对应实桥中桥面板工地焊接采用的码板、U肋与横隔板及桥面板焊接构造、桥面板与横隔板及U肋交叉焊缝构造，将3组试件编号为H3、H4、H5，焊接试件的主要材质为Q370qE钢，试件采用与实际桥梁一致的制作工艺，其中H3号试件全长960 mm，最大宽度250 mm，厚度24 mm；H4号试件长度564 mm，最大宽度306 mm，焊孔直径18 mm；H5号试件长度858 mm，最大宽度378 mm，焊孔直径24 mm，焊接材料均采用Supercored71H(药芯焊丝CO2气体保护焊)，3种试件设计图如图1所示。

图1 3种试件设计图(单位：mm)

2 理论计算与静载试验

2.1 理论计算

H3号试件模拟桥面板工地焊接采用码板的构造细节，该试件焊接码板后，将码板铲掉，重新打磨平顺，计算采用Solid45八节点六面体单元，共划分800个单元，1 422个节点，由于码板是用于连接桥面板的临时构件，因此将试件的一端采用固定约束，即约束x、y、z方向的位移和转角，在另一端施加单位400 kN的均布荷载，用于模拟码板轴向受拉的危险应力状态。H4号试件通过开圆孔避免焊缝交叉，计算采用Solid45八节点六面体单元，模型共划分9 518个单元，14 805个节点，在试件底部施加固定约束，在顶部施加单位400 kN的均布拉力，用以模拟汽车移动荷载施加到桥上时，桥面板因整体和局部变形在横隔板和桥面板焊缝上产生的作用。H5号试件模拟桥面板与横隔板及U肋交叉焊缝并在横隔板与U形肋焊接处开孔，试件计算采用Solid45八节点六面体单元，模型共划分3 847个单元，6 839个节点，在试件底部施加固定约束，在开孔两侧加载部位施加单位200 kN的均布压力，用以模拟桥面板在局部荷载作用下产生面外变形，导致横隔板与U肋焊接处产生相对位移而导致的危险应力状态，3种试件有限元模型及网格划分情况见图2。

图2 3种试件网格划分

在施加约束和荷载的条件下进行求解，所得Mises应力分布云图如图3所示。

从图3可以看出：H3号试件发生应力集中的部位为试件圆弧区域向中间靠近的部分，最大应力为244.08 MPa；H4号试件最大应力为348.45 MPa，应力集中位置主要在U形肋与桥面板焊接处；H5号试件最大应力为521.53 MPa，发生在加载处的底部，同时横隔板圆弧处也有很大应力集中，横隔板与U形肋焊接部位应力不大，比较大的正拉力主要集中在从横隔板圆弧缺口处放射出去的一片区域。

图3 3种试件Mises应力分布图(单位：MPa)

2.2 静载试验

为了保证后续试验中疲劳加载装置的正常运行以及了解试件进行疲劳加载时的应力分布状态，利用结构疲劳试验机对3组试件分别进行了静载测试，保证与相应试件疲劳试验的加载装置相同，加载位置与有限元计算保持一致。根据试件形状以及有限元计算结果，选择合理的位置布置应变片测点，3种试件的测点位置如图4所示。

图4 3种试件测点布置图

由试验数据整理的回归曲线如图5所示，由图5可以看出：测试结果与理论值相差不大，试验系统满足要求。H3号试件应力基本分成3个部分，中间的3、4号两个测点应力大于一侧1、2号测点和另一侧的5、6号测点，原因是试件在中间部位有效截面面积较小，同等条件下容易产生较大的拉应力；当施加到400 kN的荷载时，3号点应力达到197.27 MPa，测点3应力要明显大于两边测点1、5。其原因可能是试件在焊接处的测点应力呈中心放射性分布。由图5(b)可知：测点3、5靠近焊接部位，将其在荷载400 kN加载时测得的应力值平均得155.42 MPa，与有限元计算值153.27 MPa接近，表明试验数据符合预期要求。由图5(c)可知：1号测点是横隔板圆弧测点横向应力，2号测点为横隔板与U肋焊接处竖向应力，试验结果显示这两个测点是所有测点中数值最大的，这两个方向的力导致该种构造在疲劳断裂时，先是沿着焊趾起裂，然后在横隔板上斜向扩展。

图5 3种试件静载回归曲线

从规律来看，实测与试件有限元计算基本保持一致，个别点存在误差，主要是由于试件加载时产生挠度，加载块与接触点无法保证理想的平面，同时计算过程中边界条件假设、测点位置与实际有一定的误差所致，但总体分布规律一致。

3 疲劳试验

3.1 试验方法

由于各试件的结构形式不同，通过专门设计的液压伺服机进行疲劳试验，3种试件具体试验情况见图6。

图6 疲劳试验图

3种试件具体加载方案如下：首先利用液压伺服机进行预加载，使得试件约束部位及加载部位接触良好，进入正常工作状态，H3及H4号试件在2 000 kN液压伺服疲劳试验机完成，各试件疲劳试验最小控制吨位均取10 kN，进行拉-拉循环加载，H5号试件通过设计专门装置由3 800 kN多头结构疲劳试验机上的±1 000 kN加载装置完成，疲劳试验最小控制吨位均取5 kN，进行压-压循环加载，试验过程中利用酒精涂抹并借助放大镜观察，当发现裂纹后，记录此时的循环次数，继续疲劳加载至裂透板厚或试件断开，以此时的循环次数作为统计数据。

3.2 试验结果

为了取得准确结果，制作了多个相同的试件，持续施加循环荷载，得到试验结果如表1所示，3种试件裂纹情况如图7所示。

表1 疲劳试验结果统计

由图7可以看出：H3试件在与码板焊接处开始起裂，裂纹从内部逐渐扩展。H4号试件主要从U形肋与桥面板对接焊处起裂，之后，U肋焊缝交叉点过焊孔边缘开始起裂，并沿着横隔板向内扩展，最后发展为试件在横隔板处沿焊趾断裂。H5号试件的疲劳破坏位置有两种情况：① 在横隔板与U肋焊接部位下焊趾，起先沿着焊趾起裂，后来在横隔板上斜向扩展；② 在U肋上焊趾起裂，一直沿着上焊趾扩展，扩展速度缓慢。两种情况裂纹源都在角焊缝根部，即裂纹起点均产生在横隔板与U肋焊趾根部，然后自内向外扩展。根据各构造的疲劳破坏特征，拟合疲劳试验结果，得出该桥主桥钢结构3种关键构造细节疲劳S-N曲线推荐公式如表2所示。

表2 3种构造细节推荐疲劳设计S-N曲线

图7 疲劳试验图

4 结论

(1) 根据静载试验结果，H3号试件在中间部位应力最大，其原因在于中间码板部位横截面积较小，同等外部条件下，该截面容易产生较大的应力，在循环荷载的作用下，容易引起开裂，疲劳试验结果也表明该构件容易在中间部位断裂。

(2) H4号试件主要从U形肋与桥面板对接焊处起裂，说明此处焊缝较薄弱，静载试验结果也显示在此处应力最大，在400 kN的拉力荷载下，焊缝处测点的平均应力达到155.42 MPa。

(3) H5号试件静载试验结果表明横隔板与U肋焊接处的横向应力和竖向应力均较大，这两个方向的力导致该种构造在疲劳断裂时，先是沿着焊趾起裂，然后在横隔板上斜向扩展，同疲劳试验所显示的裂缝特征一致，同时有限元模型在横隔板与U肋焊接处附近也出现较大的应力集中，更加说明横隔板与U肋焊接处是该构件最薄弱的部位。

(4) 利用试验数据拟合了S-N曲线，并给出了焊接构件的推荐设计曲线，可根据试验结果修正该桥建造过程中的部分构造细节，保证桥梁质量。