呂彭民, 宋年波, 李大濤

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室, 陜西 西安 710064)

正交異性橋面板橫隔板圓弧過渡處剪切疲勞強度實驗研究

呂彭民, 宋年波, 李大濤

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室, 陜西 西安 710064)

摘要：為了研究正交異性橋面板橫隔板圓弧過渡處的疲勞特性，本文以九江長江大橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)為例制作了橫隔板與U型肋局部構(gòu)造細節(jié)疲勞試驗試樣，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)13個試樣中有8個試樣疲勞裂紋發(fā)生在橫隔板與U型肋焊縫處，而有5個試樣疲勞裂紋發(fā)生在橫隔板母材圓弧過渡處，說明橫隔板圓弧過渡處為疲勞破壞的危險部位之一.有限元分析與應(yīng)力測試表明，該處為壓應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域，而剪切應(yīng)力較大，其疲勞失效形式為剪切疲勞破壞，通過將實驗數(shù)據(jù)與歐洲規(guī)范Eurocode3進行比較，該部位滿足容許剪切應(yīng)力幅值為100 MPa的Δτ-N曲線方程.該研究結(jié)果可為正交異性橋面構(gòu)造細節(jié)強度設(shè)計和壽命評估提供參考.

關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋; 橫隔板圓弧過渡處; 剪切疲勞破壞; 疲勞試驗; 有限元分析; 應(yīng)力測試

0引言

正交異性鋼橋面板，是用縱橫向互相垂直的加勁肋(縱肋和橫肋)連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪載荷的結(jié)構(gòu).因其具有自重輕、承載能力大、節(jié)省鋼材、施工方便等優(yōu)點，已成為大跨度現(xiàn)代鋼橋通常采用的橋面結(jié)構(gòu)形式[1].迄今為止，國內(nèi)采用正交異性鋼橋面板的橋梁已有近 30余座[2]，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫立體交叉等原因，疲勞開裂已成為阻礙其進一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題.國內(nèi)外關(guān)于鋼橋細部結(jié)構(gòu)疲勞性能做了大量的研究[3～8]，形成了各種設(shè)計規(guī)范，如歐洲規(guī)范Eurocode3[9],英國規(guī)范BS5400[10],美國規(guī)范ASSHTO[11],國內(nèi)的《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[12]等，對各類構(gòu)造細節(jié)的疲勞特性給出了詳細規(guī)定.由于正交異性橋面采用全焊結(jié)構(gòu)，人們對焊接部位的疲勞特性進行了深入研究，而對母材處的剪切疲勞特性的研究較少.正交異性橋面結(jié)構(gòu)橫隔板圓弧過渡處應(yīng)力集中較大，是疲勞破壞的薄弱部位之一，由于該部位受壓應(yīng)力作用，其疲勞破壞為剪切疲勞破壞.為了研究該部位的疲勞特性，本文以九江長江大橋正交異性橋面結(jié)構(gòu)為例，制作了橫隔板與U型肋局部構(gòu)造細節(jié)疲勞試樣，通過疲勞試驗和仿真計算，研究橫隔板圓弧過渡處(見圖1圓弧R34處)的應(yīng)力狀態(tài)和疲勞特性.

1橫隔板圓弧過渡處疲勞試驗

九江長江大橋橫隔板與U肋細部構(gòu)造如圖1所示，為了研究橫隔板圓弧過渡處疲勞特性，本文設(shè)計了試樣如圖2所示，疲勞試驗結(jié)果如表1所示.

由表1可知，橫隔板與U肋細部結(jié)構(gòu)疲勞危險部位為橫隔板與U肋圍焊處(見圖3)和橫隔板圓弧過渡處(見圖4～圖5).圍焊處疲勞性能另有論文討論，筆者主要研究橫隔板圓弧過渡處的疲勞特性.

注：“-”表示母材橫隔板圓弧過渡處裂紋擴展到30 mm時沒有檢測循環(huán)次數(shù);“*”表示母材橫隔板圓弧過渡處裂紋擴展到30 mm時的循環(huán)次數(shù);“**”表示橫隔板與U型肋圍焊處裂紋擴展到30 mm時的循環(huán)次數(shù).

2橫隔板圓弧過渡處有限元分析

為了準(zhǔn)確分析該疲勞試樣橫隔板圓弧過渡處的應(yīng)力狀態(tài)，有限元分析時采用實體單元Solid45建立了疲勞試樣1/2有限元計算模型，在對稱面上施加對稱約束，共劃分實體單元132 388個，接觸單元4 140個，節(jié)點150 813個，試樣有限元模型見圖6.圖7為復(fù)合應(yīng)力云圖根據(jù)有限元對疲勞試樣分析結(jié)果可知，由于有應(yīng)力集中，橫隔板圓弧過渡處復(fù)合應(yīng)力很大，由分析可知，該處為壓應(yīng)力區(qū)，圖8為試樣第三主應(yīng)力(壓應(yīng)力)云圖，圓弧過渡處壓應(yīng)力很大.

3橫隔板圓弧過渡處應(yīng)力狀態(tài)測試

根據(jù)有限元計算結(jié)果，在試樣上布置應(yīng)變片.試樣布片圖見圖9，其中應(yīng)變花5和6用來測圓弧過渡處應(yīng)力.應(yīng)力測試按照0、50、100、150、200、250、280 kN逐級加載和250、200、150、100、50、0 kN逐級卸載進行，靜載試驗共完成2次加載、卸載，將2次所測值平均后求出測點的應(yīng)力值，應(yīng)變花6所測的主應(yīng)力見圖10.

通過實測結(jié)果可知，試樣圓弧過渡處同樣為壓應(yīng)力，其第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力均為負值，從而驗證了有限元分析的合理性.根據(jù)最大剪切應(yīng)力計算公式(τmax=(σ1-σ3)/2，σ1為第一主應(yīng)力，σ3為第三主應(yīng)力)可以求出此處最大剪切應(yīng)力，圖11為最大切應(yīng)力-載荷變化曲線.圖12為有限元分析得到的圓弧過渡處第三主應(yīng)力方向分布圖，由圖中可以看出圓弧過渡處第三主應(yīng)力方向與圓弧切線大約成20°～30°角，由于最大切應(yīng)力τmax所在的截面與σ1和σ3主平面互成45°角，因此可以作出最大切應(yīng)力τmax的大致方向，如圖13所示，由此可以看出最大切應(yīng)力τmax與裂紋擴展方向基本吻合，進一步說明該處的裂紋破壞是由剪切應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞破壞.

4橫隔板圓弧過渡處疲勞性能討論

為研究該細部構(gòu)造結(jié)構(gòu)的疲勞失效狀況，共進行了13個試樣的疲勞試驗，由表1可以看出試驗中5個試樣橫隔板圓弧過渡處發(fā)生裂紋，該處可用的疲勞試樣數(shù)據(jù)見表2.其中剪切應(yīng)力幅是通過圖11中最大剪切應(yīng)力-載荷曲線求得.

將表2中試驗數(shù)據(jù)與歐洲規(guī)范Eurocode3中給出的兩條Δτ-N疲勞曲線(200萬次對應(yīng)容許應(yīng)力幅分別為100MPa和80MPa)進行比較(如圖14).可以看出，試驗數(shù)據(jù)滿足200萬次對應(yīng)容許應(yīng)力幅值為100 MPa的疲勞曲線要求.因此，對于正交異性橋面結(jié)構(gòu)橫隔板圓弧過渡處的疲勞強度計算與評估建議采用Eurocode3中容許應(yīng)力幅值為100 MPa的Δτ-N曲線方程：logN=16.301-5lgΔσR.

5結(jié)論

橫隔板圓弧過渡處由于應(yīng)力集中等原因，該處為正交異性橋面結(jié)構(gòu)疲勞破壞的危險部位之一，在構(gòu)造細節(jié)設(shè)計和強度評估時應(yīng)加以關(guān)注；橫隔板圓弧過渡處為壓應(yīng)力區(qū)域，其疲勞破壞一般為剪切疲勞破壞；正交異性橋面結(jié)構(gòu)橫隔板圓弧過渡處疲勞特性曲線建議采用Eurocode3中200萬次對應(yīng)剪切許用應(yīng)力幅值為100 MPa的Δτ-N曲線方程：logN=16.301-5lgΔσR.

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Experimental Study of Shear Fatigue Strength for the Orthotropic Deck Diaphragm Arc Transition

LV Peng-min, SONG Nian-bo, LI Da-tao

(Key Laboratory Road Construction Technology and Equipment, Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:In order to study the fatigue characteristics on the diaphragm arc transition for orthotropic bridge deck, Jiujiang Yangtze River bridge was taken as an example, and the fatigue test specimens of the diaphragm and U rib local structural detail were made. Experimental results showed that 8 samples fatigue crack occurred in the diaphragm with U rib welds in 13 samples, and 5 samples fatigue crack occurred in the diaphragm arc transitional area, which illustrated that the diaphragm arc transitional area is one of the dangerous places of the fatigue failure. Finite element analysis and stress tests all indicated that this region is in the compressive stress state, but the shear stress is very large, and the fatigue failure belongs to shear fatigue failure. Comparing the experimental data with European standard Eurocode3, we can find it meets the τ-N curve equation of the allowable shear stress amplitude for 100 MPa. The results of this study can provide reference for the strength design and life assessment on the orthotropic deck structure details.

Key words:orthotropic steel bridge; diaphragm arc transition; shear fatigue failure; fatigue test; finite element analysis, stress test

中圖分類號：U443.3

文獻標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.014

文章編號:1671-6833(2015)02-0062-05

作者簡介：呂彭民(1957-)，男，陜西渭南人，長安大學(xué)教授，博導(dǎo)，博士后，主要從事結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)疲勞強度及優(yōu)化設(shè)計，E-mail:lpmin@chd.edu.cn.

基金項目：江西省交通運輸科技項目資助(2010C00003)

收稿日期:2014-10-21；

修訂日期：2014-12-18