文獻翻譯——美國焊接橋梁地疲勞設計準則

1、美國焊接橋梁的疲勞設計準則John W . Fisher（理海大學（伯利恒）土木丁程系，美斟賓夕法尼亞）摘要：50年前，疲勞設計在美國人看來并非是一個很嚴重的橋梁性能問題。疲勞設計運用了限制最大應力的概念，即假定疲勞極限發(fā)生在2 X10。次循環(huán)荷載時，利用最小應力與最大應力的比 R,限制各點的最大應力。根據(jù)道路類型與 每日平均車流量，采用型號為HS 20的設計車來測定特定周期。在20世紀60年 代末至70年代初，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁中存在疲勞裂紋。1967-1987年，針對焊接 部位進行了大量的梁試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，統(tǒng)計得到了數(shù)據(jù)庫，并認為應力幅度才是唯一主要的設計應力。1974年，美國AASHTO

2、規(guī)范采用了應力幅度設計疲 勞強度，這意味著只有循環(huán)活荷載才是重要的?；酒趶姸惹€提供了疲勞壽 命下限設計方法，該方法是當今世界廣泛應用的方法。基于鋼橋的經(jīng)驗認識到： 盡管采用不在受拉翼緣設計焊接，但由于平面扭曲也會在腹板中產(chǎn)生大量的裂 紋，而且這些裂紋由于受到三向應力的作用，即使在疲勞裂紋沒有增長的情況下， 在過去10年里也造成了意外的脆性斷裂。關(guān)鍵詞：橋梁；鋼材；設計；連接；疲勞；應力幅度；裂紋；焊接；試； S N曲線；扭曲；脆性斷裂中圖分類號：U441 . 4； U445 . 5文獻標志碼：A文章編號：1674 0696（201 1）supp2 1152 071. 介紹美國各州公路工作

3、者協(xié)會（AASHO ）在I960年的道路測試中演示了鋼梁橋在應力變化允許范圍內(nèi)的相應壓力下疲勞開裂的可能性（如圖一）。Fie-1ernck At end rtf roverplaKd brum20世紀70年代以來，疲勞裂紋擴展已經(jīng)出現(xiàn)在橋的結(jié)構(gòu)和組分中。 第一次 觀測到裂縫是在一條遇到一次大容量的卡車交通引起了巨大的循環(huán)應力的州級 高速公路的橋主梁蓋板上（如圖二）。美國早期關(guān)于疲勞的規(guī)定起源于鐵路橋梁的設計，當承受反向荷載時它需要減少容許應力。在20世紀40年代，AREA和AASHO對焊接結(jié)構(gòu)使用AWS的橋梁規(guī)范。 這就提供了三個負載周期情況，依照最大壓力和變化的應力比描述容許應力，R定義為最

4、大壓力和最小壓力的代數(shù)比。1965年，AASHO采用了基于現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)的鋼橋疲勞規(guī)范，它主要是小試樣和有限的樣本得到，并且通常假設2000000次循環(huán)就是疲勞極限或?qū)λ?有部分都采用無限壽命情況?；诘缆奉愋兔刻炱骄ㄜ嚱煌浚ㄈ绫硪唬〩S-20的卡車（如圖3）通過引起的最大應力，對這些部分進行了不同的分類, 分為疲勞壽命為100000,500000 和2000000次循環(huán)。3HS-20 如折h tnKk uwd for futiRut團* 19*5IW4 用于僵勞設計的荷裁車H乩20一直依照最大壓力來表述容許疲勞應力， 容許疲勞應力來自改進的規(guī)定應力 比和鋼強度Goodman圖（如圖四）。

5、提供一個認為是影響疲勞強度設計因素的統(tǒng)計分析時不可能的，因為很多變量是不能控制的。2. 焊接梁的測試實驗為了克服疲勞研究一系列的局限性，1967年利哈伊大學開始做這個實驗， 一直持續(xù)到20世紀80年代。這些實驗在一定的條件下使用了有計劃的統(tǒng)計程 序?qū)嶒?，以至于?shù)據(jù)的分析可以顯示出可信的重要參數(shù)在疲勞過程的意義。大量鋼梁細部上成熟著的實驗數(shù)據(jù)表明控制疲勞強度最重要的因素是應力變化范圍 和細部類型。圖五顯示蓋板鋼梁細部為 3號鋼的轉(zhuǎn)動和焊接梁（屈服應力為 250MPa,350MPa和700MPa），最小壓力的一些級別和各種幾何條件。這個測試結(jié)果清楚地表明，只有應力變化范圍可以控制應力變量，而且鋼的

6、 類型，截面和幾何細部并不重要。測試數(shù)據(jù)的循環(huán)周期在各個級別的應力變化范 圍內(nèi)都有一個對數(shù)正態(tài)分布。應力變化范圍意味著在設計鋼細部構(gòu)件時的疲勞 時，只有活荷載和沖擊荷載需要考慮。觀測到的這些發(fā)現(xiàn)可以運用到每一根梁和 細部檢驗中。最小應力和最大應力之比 R在循環(huán)壽命關(guān)系中不影響應力變化范圍。在應力變化范圍循環(huán)壽命內(nèi)，焊接殘余應力的存在是比值R不是一個重要因素很大的原因。圖六中的測量值核實了疲勞裂紋擴展的初級階段的焊趾處大殘 余拉應力的存在，并且絕大多數(shù)疲勞壽命在焊接結(jié)構(gòu)處重現(xiàn)。到1986年每一個設計種類所有可供使用的實驗測試數(shù)據(jù)的應力變化范圍循 環(huán)壽命的下界在圖七中描繪出來。從圖七中可以看到在1

7、965年假設疲勞極限發(fā)生2000000次循環(huán)時僅適用于基底金屬（A類型）。后來的每一中類型提供了應力變化類型的下界限制，在2000000和20000000次出現(xiàn)循環(huán)壽命隨著類型從B到E恒幅測試數(shù)據(jù)的的疲勞極限下 界是裂紋增長的臨界值，C,E,C類型已經(jīng)證實可以達到1000000次循環(huán)。溢出曲線S-N在應力變化范圍和壽命上有一個指數(shù)曲線關(guān)系，出自這里的對每一種細部類型都是一個常數(shù)值，是設計應力變化范圍，這 個關(guān)系式由目前AASHTO提供。3. 可變荷載這很好的展示出橋梁結(jié)構(gòu)承受隨機可變荷載，引起了廣闊的偏應力變化范圍。圖八描述了一個橋縱梁蓋板傳統(tǒng)的應力變化范圍直方圖。計算積累損傷最廣泛的計算方法

8、是Miner假設。應力循環(huán)破壞變量與每一級應力變化范圍出現(xiàn)的相對頻率成比例。在1971年到1993年著手的一些研究評估積累損傷標準的適用性， 比如Min er準則。這些研 究表明米勒的線性破壞假設提出了一個對恒定循環(huán)數(shù)據(jù)涉及隨機變量應力周期的方法。一個有效應力范圍可以用米勒的線性疲勞損壞關(guān)系式發(fā)展，連同提供指數(shù)關(guān)系這里的兒是應力范圍的出現(xiàn)頻率參考文獻【11】中做長壽命的焊接網(wǎng)附件的測試如圖9 ,這些隨機變量測試提供了把應力范圍轉(zhuǎn)換到等價有效應力范圍的好方法。1 Web AnuchmmlfNCHRP Reports 227, 267 and 554sm6*4 m AndckH in科訶少m in

9、 widex vurinblc loadonh-Lunt MJtiphlui匕 teMg104 bjip- Li laViLie trwick | H-15 ) use” t designhrid日斟 li)r rvslmtitrKffiH用于橋梁抗力設計的盛勞荷戟車輛疲勞貨車影響提供了橋梁承受的可變荷載譜15%的有效荷載。如果循環(huán)頻率很大，變量譜中的最大應力范圍不能超過疲勞貨車產(chǎn)生應力的兩倍。如圖十二 中的第三種情況大多數(shù)橋梁細部增加兩倍的用途是基于許多運行超過50年的橋梁應力變化范圍測量表明它們真實的活荷載應力變化范圍譜是小于從最大荷載處預測的最大應力的一半或三分之一的事實的。因此，把這些

10、觀測值調(diào)整為變量譜如圖十三。Fig. 13 AdjuLtnente to ih-c variAMe load spertrum to reflect Actual nieaujremente of tcss rangt in hririge stnielures 橋妻堵構(gòu)申嶽響實測應力范SI的可畫荷載瞬的調(diào)整因此，AASHO疲勞極限狀態(tài)初始值的有效最大應力荷載范圍是 -IH %或HS-0 ( i08kips480KN )。正交各向異性橋面單軸荷載加強于雙軸需要3 x IIS-15(162kips720KN5.誘導變形破裂和二次應力20世紀70年代，觀測到1950年到1980年建設的橋梁的網(wǎng)狀破

11、裂。這些網(wǎng)狀破裂出現(xiàn)是由于在 WWII之后采用了不焊接斷面和大量的抗拉凸緣的規(guī)范。 這是基于20世紀30年代歐洲早期焊接橋梁的經(jīng)驗。結(jié)果，橫板和交叉架的橫 向連接板的三維反應導致了非常小的位移，而且在這些網(wǎng)狀破裂處產(chǎn)生了非常高 的應力變化循環(huán)。網(wǎng)狀法蘭連接的縱向焊點和附在網(wǎng)狀連接板上的橫向焊點的裂 縫一般為10mm到50mm，圖十四展示了一個在橫向連接板焊接末端和沿著法 蘭焊接網(wǎng)趾處變形誘發(fā)裂紋的典型例子。變形誘發(fā)二次應力導致疲勞裂紋出現(xiàn)在 每一個類型的橋梁結(jié)構(gòu)中。這就包括簡單和持續(xù)的板梁橋跨度，如圖十四所示， 箱狀結(jié)構(gòu)和系桿拱（圖十五），桁架系統(tǒng)和許多其他結(jié)構(gòu)。通常這些裂紋可以通 過在頂端鉆

12、洞遏制。一般它們需要校正工作，提供剛性連接，阻止裂縫間的變形, 來制止更深層次的梁腹板的變形。另一個方法是減輕增加裂縫有效數(shù)量大小之間 的連接劃 14 W tb gfip cmckitig in 11k- gird祇 veh 圖14 槃腹板養(yǎng)顯Fig” li Ersekh* in llic flzr-beam web 妁卩 at thecnnnertioii ft a lit girderAB15樓樁、筆板膽板裂繚AASHTO的規(guī)范需要積極縮小網(wǎng)絡之間的差距，因此失真致開裂要被最小化。在過去的十年斷裂開發(fā)的幾座橋梁中，沒有任何檢測疲勞裂紋擴展的結(jié)果，高三軸應力在網(wǎng)絡差距非常?。ㄐ∮?6ram

13、）。圖16所示的裂縫。圖16示出突 然發(fā)生在大橋上的裂縫在橫向連接板和橫向節(jié)點板有很小或可忽略不計的網(wǎng)絡 之間的差距。這些突然的脆性斷裂導致的克制，強調(diào)從焊縫收縮和靜荷載應力和 幾何條件，導致裂紋像從交叉扣板及橫向連接板。非常小的網(wǎng)絡差距創(chuàng)造了三軸應力狀態(tài)并沒有讓屈服發(fā)生，導致內(nèi)應力超過屈服點實際安全強度的空隙。這導 致了低工作溫度下發(fā)生斷裂。網(wǎng)頁裂紋發(fā)生的性質(zhì)導致的一個不可視察的細節(jié)。Fig. 16 Kftraint induced cmcking from the rriaxial stresses at connectiGn plates圖16連接板三向應力約東裂燈6.總結(jié)本文提供了一個在美國疲勞的發(fā)展設計規(guī)定的歷史概述， 在世界各地的規(guī)范 已通過。這些包括改進的具體實踐的規(guī)定基于廣泛的研究和案例研究被開發(fā)。由于新的指導方針和改良材料的實施，限制了疲勞開裂和脆化斷裂。交通荷載作用 下橋梁鋼板的疲勞是影響到老化的交通基礎(chǔ)設施服務表現(xiàn)最重要的問題。若不及時干預，這些裂縫可能導致脆性斷裂鋼材少于足夠的韌性。在美國歷史上，疲勞 裂紋的焊接橋梁鋼板發(fā)生在蓋板和類似附件的詳細信息，以及在網(wǎng)格失真的間 隙。該附件的詳情是疲勞的臨界值是最嚴重的， 其特征是在焊趾裂紋生長。失真 位移控制時，可以通過增加連接的靈活性可以減小應力。如果扭曲是