軌道橫梁和整體節(jié)點(diǎn)連接疲勞試驗(yàn)

1、軌道橫梁和整體節(jié)點(diǎn)連接疲勞試驗(yàn)    摘要:對(duì)重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)的連結(jié)構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了足尺模型疲勞試驗(yàn).通過(guò)有限元分析,選定了試驗(yàn)節(jié)點(diǎn),確定疲勞荷載上限為660kN,下限為50kN.試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)力幅為31.33MPa,加載200萬(wàn)次后,試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀闯霈F(xiàn)裂紋.試驗(yàn)結(jié)果表明,該橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造細(xì)節(jié)在其使用壽命期間內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞開(kāi)裂,疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求. 關(guān)鍵詞:公路-輕軌兩用橋;鋼橋;軌道橫梁;整體節(jié)點(diǎn);疲勞試驗(yàn) 近年來(lái),隨著鋼橋跨度的增大以及焊接技術(shù)的成熟,整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)得到了較廣泛的運(yùn)用,如運(yùn)用最早的孫口黃河大橋、隨后竣工

2、的蕪湖長(zhǎng)江大橋、渝懷鐵路長(zhǎng)壽長(zhǎng)江大橋以及正在施工的重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋,重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋鋼桁拱初步設(shè)計(jì)也采用了整體節(jié)點(diǎn).鋼梁各桿件間的連接均通過(guò)整體節(jié)點(diǎn),在節(jié)點(diǎn)外用高強(qiáng)度螺栓連接.整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜,焊縫密集,既有對(duì)接焊縫,又有棱角焊縫和角焊縫.      對(duì)于采用整體節(jié)點(diǎn)的大跨度鋼橋,疲勞問(wèn)題受到廣泛關(guān)注與重視.曾對(duì)孫口黃河大橋進(jìn)行了整體節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)(幾何相似比13),對(duì)整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)在孫口黃河大橋上的應(yīng)用提供了保障1,2.為了防止蕪湖長(zhǎng)江大橋整體節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)疲勞裂紋,保證橋梁安全運(yùn)營(yíng),延長(zhǎng)使用期限,也進(jìn)行了鋼梁焊接整體節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)(幾何相似比14)

3、3,4.      重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋?yàn)橹袊?guó)首座特大公路-輕軌兩用橋,采用預(yù)應(yīng)力混凝土Y型剛構(gòu)與提籃鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結(jié)構(gòu).系桿拱橋主跨420m,對(duì)稱(chēng)布置的邊跨和側(cè)跨分別為102m和88m.下層橋面的軌道橫梁直接承受輕軌荷載,并將輕軌荷載通過(guò)其與整體節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)度螺栓連接傳遞給整體節(jié)點(diǎn),板厚公差與制造公差對(duì)高強(qiáng)度螺栓連接的疲勞強(qiáng)度影響很大.此外,整體節(jié)點(diǎn)與軌道橫梁的連接焊縫(整體節(jié)點(diǎn)內(nèi)部)的疲勞性能也引起設(shè)計(jì)人員擔(dān)心.因此,有必要對(duì)重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行疲勞試驗(yàn),同時(shí)為整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)在大跨度鋼橋中的應(yīng)用提供參考.1 試驗(yàn)

4、方案1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛙壍罊M梁與整體節(jié)點(diǎn)連接處構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能受多種因素影響.鑒于構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系非常密切,而縮尺模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)疲勞性能之間的關(guān)系不易確定,因此采用足尺模型進(jìn)行疲勞試驗(yàn)(圖1).          模型設(shè)計(jì)按重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)原型,要求模型與實(shí)橋結(jié)構(gòu)(原型)的應(yīng)力分布、應(yīng)力集中情況和表面條件等盡可能相似.模型包含實(shí)橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接的全部構(gòu)造細(xì)節(jié),構(gòu)造細(xì)節(jié)的布置與實(shí)橋結(jié)構(gòu)相同,采用11的幾何模型,模型材質(zhì)和實(shí)橋材質(zhì)完全相同.通過(guò)全橋有限元計(jì)算,選取

5、實(shí)橋中受力最不利的有代表性的軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn).由于下平縱聯(lián)、斜撐桿及斜腹桿的荷載幅值變化相對(duì)較小,而且疲勞試驗(yàn)空間加載的難度大且不易控制,模型中去掉了下平縱聯(lián)、豎桿、斜腹桿及斜撐桿.軌道橫梁的長(zhǎng)度不是實(shí)橋的1/2,而是由軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接處的彎矩和剪力決定.試驗(yàn)的邊界約束條件為軌道橫梁梁端簡(jiǎn)支,下弦桿兩端與地面固定.1.2 試驗(yàn)加載試驗(yàn)在西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)中心進(jìn)行,加載設(shè)備為美國(guó)MTS公司制造的1MN全自動(dòng)液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī).通過(guò)對(duì)重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋的全橋結(jié)構(gòu)分析,結(jié)合對(duì)該橋的交通流量預(yù)測(cè),參考BS54005和AASHTO規(guī)范6,獲得了該橋的疲勞荷載譜.疲勞荷載譜考慮了

6、重慶輕軌列車(chē)和六車(chē)道汽車(chē)荷載.      公路荷載譜的確定:分別按BS5400標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)式樣、典型車(chē)式樣和AASHTO標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)3種情況進(jìn)行計(jì)算、比較,結(jié)果AASHTO標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)最為不利.公路荷載的作用次數(shù)確定為在該橋使用壽命期內(nèi)實(shí)際交通量的10%.輕軌荷載譜的確定:典型荷載為重慶輕軌標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē),軸重力90kN,單車(chē)重力360kN,軸距與實(shí)際車(chē)輛一致,初期、近期及遠(yuǎn)期編組分別為4,6和8輛車(chē).典型荷載的作用次數(shù)為在該橋的設(shè)計(jì)壽命期間內(nèi)輕軌列車(chē)的設(shè)計(jì)運(yùn)行次數(shù).      考慮到200萬(wàn)次疲勞加載屬

7、于研究習(xí)慣,而鋼橋疲勞屬于變幅、低應(yīng)力、高循環(huán)、長(zhǎng)壽命的疲勞范疇.但根據(jù)目前的試驗(yàn)設(shè)備、技術(shù)水平和試驗(yàn)時(shí)間要求,通常只能進(jìn)行常幅疲勞試驗(yàn).通過(guò)Miner線(xiàn)性累計(jì)損傷律,將按公路荷載譜和輕軌荷載譜確定的變幅循環(huán)應(yīng)力幅及次數(shù)等效為損傷度相同的200萬(wàn)次的常幅循環(huán)應(yīng)力幅.軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接處疲勞試驗(yàn)200萬(wàn)次的等效彎矩幅為663kN·m,等效剪力幅為388kN.由軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接處的控制內(nèi)力幅,換算得到疲勞加載200萬(wàn)次的荷載上限為660kN,下限為50kN.通過(guò)計(jì)算分析,加載中心點(diǎn)在距軌道橫梁簡(jiǎn)支端3.05m處.      疲勞

8、加載前進(jìn)行靜載試驗(yàn),靜載試驗(yàn)采用逐級(jí)加載的方式.荷載分級(jí):50kN200kN350kN500kN660kN500kN350kN200kN50kN.      疲勞加載到一定次數(shù)后停機(jī),進(jìn)行(逐級(jí)加載的)靜載試驗(yàn),荷載分級(jí)與疲勞加載前的靜載試驗(yàn)相同,以考察試件是否出現(xiàn)裂紋以及測(cè)點(diǎn)應(yīng)變是否出現(xiàn)突變.      經(jīng)疲勞預(yù)加載,確定加載頻率為5Hz.1.3 試驗(yàn)測(cè)試測(cè)點(diǎn)(部分)布置見(jiàn)圖2,應(yīng)變測(cè)量采用電測(cè)法. 模型上全部布置三向45°應(yīng)變花.軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接處附近及有限元分析確定的應(yīng)力較

9、大處布置較多測(cè)點(diǎn),而其他部位布置少量測(cè)點(diǎn).對(duì)連接焊縫附近的測(cè)點(diǎn),盡量貼近焊縫布置應(yīng)變花;對(duì)于高強(qiáng)度螺栓連接部位,在高強(qiáng)度螺栓連接板上布置應(yīng)變花.          2004年11月19日進(jìn)行疲勞加載前的靜載試驗(yàn),隨后開(kāi)始進(jìn)行疲勞加載;11月22日,疲勞加載      279169次后,停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn);11月23日、25日和27日,分別疲勞加載至50萬(wàn)次、100萬(wàn)次和150萬(wàn)次后,停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn);最后,疲勞加載到200萬(wàn)次后,停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn).2 試驗(yàn)結(jié)

10、果分析疲勞加載前的靜載試驗(yàn)表明,模型應(yīng)力水平較低,加載至最大荷載660kN時(shí),最大主拉應(yīng)力為31.33MPa,出現(xiàn)在軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)螺栓連接板上的L1-2測(cè)點(diǎn);最大vonMises應(yīng)力為40.47MPa,出現(xiàn)在軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)豎向連接板上的B2-6測(cè)點(diǎn).      疲勞加載100萬(wàn)次后,停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn).加載至660kN時(shí),最大主拉應(yīng)力為14.83MPa,出現(xiàn)在軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)豎向連接板上的B2-1測(cè)點(diǎn).疲勞加載200萬(wàn)次后,停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn),加載至660kN時(shí),最大主拉應(yīng)力為17.12MPa,出現(xiàn)在軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)螺栓連接板上的L1-

11、2測(cè)點(diǎn).可見(jiàn),模型的疲勞應(yīng)力幅水平較低(圖3).每次靜載試驗(yàn)時(shí),模型主拉應(yīng)力基本呈線(xiàn)性變化,各次靜載試驗(yàn)加載至最大荷載660kN時(shí),主拉應(yīng)力數(shù)值差別不大(圖4).疲勞加載前后靜載試驗(yàn)的應(yīng)力值有差異,這可能是由于試件未與地面接觸密實(shí)、邊界條件有所改變所致.從結(jié)構(gòu)安全方面考慮,選取試驗(yàn)實(shí)測(cè)的最大主拉應(yīng)力,將軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)焊接連接及螺栓連接細(xì)節(jié)的實(shí)測(cè)應(yīng)力幅確定為31.33MPa.       對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘擞邢拊?jì)算模型(圖5),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6和表1(和分別為實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力).由于下弦桿兩端采用鋼絞線(xiàn)錨固在試驗(yàn)臺(tái)座頂板,計(jì)算了3種

12、邊界條件,將鋼絞線(xiàn)視為簡(jiǎn)支、固接和彈簧,最后選取了誤差較小的彈簧邊界的計(jì)算結(jié)果.從圖6和表1可見(jiàn),模型應(yīng)力水平低.由于邊界條件、焊縫和螺栓連接板與計(jì)算模型有差異,因此,實(shí)測(cè)值比計(jì)算值略大.    3疲勞強(qiáng)度安全性評(píng)價(jià)3.1根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)從疲勞試驗(yàn)過(guò)程中靜載試驗(yàn)的應(yīng)力來(lái)看,絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的主拉應(yīng)力小于10MPa,少數(shù)測(cè)點(diǎn)的主拉應(yīng)力接近30MPa,實(shí)測(cè)拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于各種構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度.另外,整個(gè)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)試件有異?，F(xiàn)象,靜載試驗(yàn)停機(jī)檢查試件,也未發(fā)現(xiàn)裂紋.200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,對(duì)試件進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)裂紋.按疲勞破壞的一般判斷標(biāo)準(zhǔn)(即出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的

13、裂紋),從試驗(yàn)結(jié)果看,重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接的疲勞強(qiáng)度在其使用壽命期間內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞.3.2根據(jù)規(guī)范評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范都針對(duì)各種典型的焊接或非焊接連接細(xì)節(jié)給出了相應(yīng)的疲勞容許應(yīng)力.      對(duì)于軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)的連接焊縫,按我國(guó)公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ02586),屬于橫向角接焊接頭7.1a類(lèi),容許應(yīng)力類(lèi)別為D類(lèi),考慮應(yīng)力比介于0-1之間,則疲勞容許應(yīng)力幅為90.6145.0MPa;按中國(guó)鐵路橋梁檢定規(guī)范(2004),屬于傳力型的十字型焊接接頭4(1)類(lèi),基準(zhǔn)疲勞強(qiáng)度等級(jí)為65.0MPa;按英國(guó)

14、BS5400規(guī)范,細(xì)節(jié)等級(jí)F對(duì)應(yīng)的熔透焊連接細(xì)節(jié),200萬(wàn)次97.7%保證率下疲勞強(qiáng)度為68.2MPa5;按歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(ECCS)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范,完全熔透十字型接頭承載焊縫(細(xì)節(jié)類(lèi)型71),200萬(wàn)次97.7%保證率下的疲勞強(qiáng)度為71.0MPa;按美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO1994版),細(xì)部分類(lèi)C的常幅疲勞臨界值為69.0MPa6;按日本本州四國(guó)聯(lián)絡(luò)橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō),對(duì)于垂直應(yīng)力方向有K形焊縫或大填角焊接母材的接頭類(lèi)型,其基本的疲勞容許應(yīng)力范圍C等級(jí)規(guī)定為105.0MPa.根據(jù)我國(guó)蕪湖長(zhǎng)江大橋疲勞試驗(yàn)結(jié)果蕪湖長(zhǎng)江大橋正橋鋼梁疲勞驗(yàn)算規(guī)定,對(duì)于疲勞抗力類(lèi)別熔透十字型傳力

15、焊縫,200萬(wàn)次的疲勞容許應(yīng)力為70.7MPa.          對(duì)于軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)度螺栓連接細(xì)節(jié),按我國(guó)公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ02586),屬于高強(qiáng)度螺栓連接3.2a類(lèi),容許應(yīng)力類(lèi)別為C類(lèi),考慮應(yīng)力比介于0-1之間,則疲勞容許應(yīng)力幅為103.1165.0MPa;按我國(guó)鐵路橋梁檢定規(guī)范(2004)規(guī)定屬于高強(qiáng)度螺栓連接3(2)類(lèi),基準(zhǔn)疲勞強(qiáng)度等級(jí)為112.0MPa;按英國(guó)BS5400規(guī)范,摩擦型高強(qiáng)螺栓連接的構(gòu)造細(xì)節(jié)類(lèi)型為C類(lèi),200萬(wàn)次97.7%保證率下疲勞強(qiáng)度為123.9M

16、Pa5;按美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO1994版),細(xì)部分類(lèi)B的常幅疲勞臨界值為110.0MPa6.      表2給出了有關(guān)規(guī)范規(guī)定的軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接細(xì)節(jié)的疲勞容許應(yīng)力,中國(guó)鐵路橋梁檢定規(guī)范(2004)、英國(guó)BS5400規(guī)范、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(ECCS)規(guī)范和美國(guó)AASHTO規(guī)范針對(duì)焊接連接給出的疲勞容許應(yīng)力幅與我國(guó)蕪湖長(zhǎng)江大橋的疲勞試驗(yàn)結(jié)果比較接近,約為70MPa.對(duì)于螺栓連接,我國(guó)孫口黃河大橋疲勞試驗(yàn)得到的疲勞容許應(yīng)力為49.7105.8MPa.重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)焊接連接及螺栓連接細(xì)節(jié)的實(shí)測(cè)應(yīng)力幅為31.33M

17、Pa,低于按上述規(guī)范確定的疲勞容許應(yīng)力(應(yīng)力幅),符合要求.4 結(jié)論根據(jù)對(duì)重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行的足尺模型疲勞試驗(yàn),實(shí)測(cè)應(yīng)力幅為31.33MPa,疲勞加載200萬(wàn)次后,試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀闯霈F(xiàn)裂紋,因此可以認(rèn)為:在正常養(yǎng)護(hù)和維修情況下,重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點(diǎn)連接的各種構(gòu)造細(xì)節(jié)在其使用壽命期間內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞開(kāi)裂,疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求. 參考文獻(xiàn):1中華人民共和國(guó)鐵道部大橋工程局.孫口黃河大橋技術(shù)總結(jié)M.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1997:109-192.2王嘉弟.鋼橋整體節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫力學(xué)性能分析J.橋梁建設(shè),1997(3):44-49.WANGJiad.iAnalysesofmechanicalbehaviourforthebuttweldedjointofthewholenodeinsteeltrussbridgeJ.Bridge Construction,1997(3):44-49.3周孟波,秦順全.蕪湖長(zhǎng)江大橋大跨度低塔斜拉橋板桁組合結(jié)構(gòu)建造技術(shù)M.北京:中國(guó)鐵道出版社,2004:338-352.4王天亮,王邦楣,潘東發(fā).蕪湖長(zhǎng)江大橋鋼梁整體節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)研究