钢桥顶板与竖向加劲肋疲劳性能衰退影响分析

李 迪，吉伯海，傅中秋，田 圆，杨沐野

（河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098）

正交异性钢桥面板因自重轻、极限承载力大、高度低、易于加工制造及施工周期短等优点，已被广泛使用于大、中跨度桥梁中。20世纪80年代以来，正交异性钢桥面板在中国得到了迅速发展。近年来，众多大跨度长江大桥的建造更是促进了正交异性钢桥面板的发展和应用。正交异性钢桥面板由相互垂直的纵、横向加劲肋和桥面顶板焊接形成整体，其结构复杂，连接多。焊接造成的残余应力、桥面板直接承受车轮荷载的反复作用、结构本身存在的缺陷、施工质量以及早期设计时对正交异性桥面板疲劳裂纹产生的机理认识不透等综合因素的影响，使得正交异性钢桥面板易产生疲劳损伤［1－4］。

正交异性钢桥面板中，顶板与竖向加劲肋连接细节是典型的易引起疲劳损伤的部位，日本结构委员会厚板焊接接头调查研究分委会曾于2007年对日本阪神高速公路和首都高速公路钢桥面板进行过统计，确定其为出现疲劳裂纹较多的构造细节之一［5］。顶板与竖向加劲肋连接细节承受疲劳荷载时，由于结构抗力的降低，导致疲劳性能衰退。而衰退过程中会发生疲劳应力幅的变化以及局部挠曲。现有的研究［6］表明，构件的疲劳损伤伴随着疲劳应力幅的变化，存在衰退现象。应力幅变化可以作为评价疲劳性能衰退的手段，目前大多数学者研究疲劳问题大多关注疲劳寿命、损伤累积以及维护，对疲劳性能衰退规律研究不多。仅有少数学者研究构造细节疲劳性能衰退时的应力幅变化，并依此判断构造细节是否出现疲劳裂纹［7］。

结构的疲劳性能衰退是一个复杂的变化过程。研究结构的疲劳性能衰退有助于全面地了解其疲劳发展规律。作者拟针对钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接细节进行等幅加载的试验，根据实验结果研究其疲劳性能衰退规律，以期为钢桥面板疲劳评估与养护提供参考。

1 试验概况

本试验的主要目的是研究正交异性钢桥面板中顶板与竖向加劲肋焊接构造细节的疲劳性能衰退规律。试件尺寸依据实桥设计图纸和类似构造细节选取，钢桥面板顶板和竖向加劲肋的厚度均为12mm，试件模型及具体几何尺寸如图1所示。

本次试验共有6个试件：3个熔透率为75%的角焊缝连接试件（简称为角焊缝试件）和3个全熔透焊缝连接试件（简称为全熔透焊缝试件），由中铁宝桥（扬州）有限公司进行加工制造。试件材料采用Q345qD型号钢材，焊接工艺为CO2气体保护焊，与实桥焊接工艺保持一致。为确定该批试件的焊接质量，加工完成后对其进行了磁粉和超声波探伤检测。

图1 试件几何尺寸设计图（单位：mm）Fig.1 The design of specimen geometry（units：mm）

试验的加载装置采用机械型振动疲劳试验机［8］，如图2所示。根据名义应力幅大小，分别进行3个等级的加载：55，80和100MPa。实际加载时，应力幅控制在10%以内浮动。加载结束以疲劳裂纹开展至距两侧焊趾30mm处为标准。

图2 疲劳试验加载方式示意Fig.2 Fatigue test diagram of loading method

根据实桥上该类裂纹扩展情况，该类焊接接头疲劳裂纹是从焊缝包角焊趾处起裂并逐渐沿着板横向延伸。为了研究试件在裂纹不同扩展阶段的疲劳性能，本试验采用直径为0.03mm的细铜线，建立裂纹长度检测机制，对裂纹扩展长度进行控制［9］。

依托细铜线检测系统，疲劳裂纹开展如图3所示，本次试验定义了疲劳裂纹开展阶段的标准：N趾为试件在焊缝包角焊趾处初次出现裂纹的应力循环次数；Nb为试件裂纹开展至两侧焊趾的应力循环次数；N10为试件裂纹开展至距加两侧焊趾10mm处的应力循环次数；N30为试件裂纹开展至距两侧焊趾30mm处的应力循环次数，此时判定试件已经破坏。

图3 疲劳裂纹扩展示意Fig.3 Fatigue crack propagating diagram

为了研究焊缝焊趾附近应力幅的情况，在围焊端部弧形焊缝焊趾处，按热点应力法布置两个测点，编号分别为CD1和CD2。由于各个疲劳细节的名义应力法测点布置尚未统一［10－11］，本次试件名义应力测点布置选择焊缝附近数值稳定、受边界条件和焊缝影响较小的两个对称测点，以便比较不同试件的应力幅变化，编号分别为CD3和CD4。具体测点布置如图4所示。

图4 测点布置示意（单位：mm）Fig.4 Measuring－point arrangement diagram（units：mm）

通过分析发现，CD3与CD4的应力幅－循环次数曲线是一致的，因此，本研究只以CD3的曲线作为代表，进行比较和分析。

2 试验结果分析

2.1 应力幅变化规律

整个疲劳加载过程中的测点应力幅变化如图5所示。从图5中可以看出疲劳荷载作用下顶板与竖向加劲肋连接处应力幅变化的特点有：在疲劳加载的过程中，不同加载应力幅条件下测点应力曲线变化规律一致，CD1与CD2的应力幅变化相似，都在疲劳加载初期快速下降，之后应力幅下降变缓直至试件破坏。加载应力幅越高，试件的应力幅快速下降越早出现，试件越早进入快速疲劳衰退的阶段。CD3的应力幅在整个加载过程中缓慢上升，并没有出现应力幅突变。这种现象是因为加载时由于应力集中，疲劳裂纹起裂于靠近CD1的焊趾处。当裂纹逐渐开展后，起裂点附近的应力幅会随着裂纹的开展而减小。而CD3测点由于距离裂纹开展位置较远，应力幅较为稳定，仅在裂纹开展时缓慢上升。

图5 疲劳试件应力幅变化Fig.5 Stress range variation of fatigue test specimens

2.2 裂纹开展规律

图6 全熔透焊缝试件应力幅变化Fig.6 Stress range variation of weld melt－through specimens

3种加载应力幅下试件随着裂纹开展过程的应力幅变化分别如图6，7所示。从图6，7中可以看出疲劳荷载作用下顶板与竖向加劲肋连接细节应力幅随着裂纹开展的规律为：所有试件在疲劳加载初期未出现裂纹时应力幅变化较小，应力幅在N趾到N10阶段CD1与CD2的疲劳应力幅快速下降，在N10到N30阶段应力下降速率减小直至破坏。CD3的测点应力幅在N趾开裂之后缓慢上升，应力幅的变化率逐渐有增大的趋势。

角焊缝试件的CD3测点在开始加载至裂纹开展到N10阶段，其应力幅变化比全熔透焊缝试件的小。在N10阶段之后，其应力幅显著上升。这表明在加载前期时，角焊缝试件的疲劳性能比全熔透试件的衰退得慢，它抵抗疲劳衰退的性能好。

3 疲劳性能衰退影响因素分析

3.1 焊缝类型

图7 角焊缝试件应力幅变化Fig.7 Stress range variation of fillet weld specimens

焊缝类型［12］是影响顶板与竖向加劲肋连接细节疲劳性能的一个重要因素。为了直观地比较不同焊缝试件的疲劳性能衰退，采用裂纹开展单位长度时的应力幅变化作为试件疲劳性能的衰退速率来评价试件的疲劳性能。由于在试验中实时观测裂纹开展较为困难，以从试件起裂到破坏时的裂纹开展距离焊址30mm计算等效应力幅变化速率。

本次试验中，两种焊接试件所测得的应力幅变化速率对比见表1。100MPa加载应力幅下，CD3测点的应力幅变化速率最大为4.977MPa／mm，CD2的应力幅变化速率最小为2.727MPa／mm。当加载应力幅为100MPa时，角焊缝试件的应力幅变化速率均小于全熔透焊缝试件的。

80MPa加载应力幅变化的速率见表2。角焊缝试件的CD1和CD2测点应力幅变化速率均小于全熔透焊缝试件的，而全熔透焊缝CD3的测点应力幅变化速率较小。在整个加载过程中，角焊缝试件的CD3测点应力幅从开始加载直至N10阶段都较为稳定，仅在试件将要破坏的N10至N30阶段出现明显的应力幅变化，因此，在80MPa加载应力幅下，角焊缝试件的疲劳性能衰退较慢。

55MPa的较低加载应力幅变化的速率见表3。虽然全熔透试件CD1和CD2两测点的应力幅变化速率均比全熔透焊缝试件的略大，但是，它们相差没超过15%，差异并不明显。而CD3测点的应力幅变化速率小，因此，在55MPa加载应力幅下，角焊缝试件的应力幅变化速率比全熔透焊缝试件的小。

在100，80和55MPa3种加载应力幅下，角焊缝试件的应力幅变化速率均比全熔透试件的小，其疲劳性能衰退较慢，因此，在本次试验中，角焊缝连接细节的疲劳性能比全熔透连接细节的好。

表1 100MPa加载应力幅变化的速率Table 1 Variation rate of stress range under 100MPa loading stress

表2 80MPa加载应力幅变化的速率Table 2 Variation rate of stress range under 80MPa loading stress

表3 55MPa加载应力幅变化的速率Table 3 Variation rate of stress range under 55MPa loading stress

3.2 加载应力幅

试验现象表明，较高加载应力幅下的疲劳性能衰退会加快，因此，在加载应力幅变化时，会对试件应力幅变化的速率产生影响。

全熔透焊缝试件在55，80和100MPa 3种加载应力幅下应力幅变化的速率逐渐增大，并且在100MPa下应力幅变化的速率要明显大于在80MPa下应力幅变化的速率。由此可见，加载应力幅越大，全熔透焊缝试件应力幅变化的速率越大，其疲劳性能衰退越快。

在不同加载应力幅下，角焊缝试件应力幅变化的速率没有明显规律。可能由于试件数量有限，对此种现象有待于进一步的试验论证。

4 结论

1）裂纹开展过程中，全熔透焊缝试件相对于角焊缝试件，其应力幅衰退变化更显著。

2）试件疲劳裂纹开展至距离焊趾处10mm时，试件疲劳性能衰退较快。试件疲劳裂纹开展至距离焊趾处超过10mm后，试件疲劳性能衰退速率逐渐降低。

3）本次试验中，75%熔透率角焊缝试件的疲劳性能衰退比全熔透焊缝试件的慢，75%熔透率角焊缝试件的疲劳性能比全熔透焊缝试件的好。

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