李小剛，姚永丁，韋 華，李 毅

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310014）

1 概述

山區(qū)大跨度橋梁建設(shè)中，鋼桁加勁梁因其運(yùn)輸、施工的優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用，如四渡河大橋、矮寨大橋、壩陵河大橋、菜園壩長(zhǎng)江大橋等。這些鋼桁梁均采用整體節(jié)點(diǎn)，而整體節(jié)點(diǎn)的栓接、焊縫等關(guān)鍵部位疲勞往往控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外雖進(jìn)行了多次鋼梁焊接整體節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)研究[1-5]，但由于材料、焊接工藝、連接形式、構(gòu)造細(xì)節(jié)的不同，其研究成果只能提供參考，針對(duì)具體設(shè)計(jì)，只能通過(guò)整體節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)，確定其疲勞性能，為橋梁設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

某西部山區(qū)跨江橋梁，主橋采用主跨730 m的簡(jiǎn)支鋼桁加勁梁懸索橋，橋梁全長(zhǎng)914.1 m，橋?qū)?0 m。

大橋主梁采用華倫式鋼桁加勁梁，加勁鋼桁梁由主桁架、上下平聯(lián)、橫向桁架組成，主桁高5.0 m，桁寬17.5 m，小節(jié)間長(zhǎng)度5.0 m，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度10.0 m，在每小節(jié)處均設(shè)橫向桁架，如圖1所示。該橋鋼桁加勁梁主桁架上弦桿與主橫桁架之間的連接采用新型焊接小整體節(jié)點(diǎn)方案，如圖2所示。鋼桁架各桿件均為工廠組焊件，為減少鋼桁梁桿件的現(xiàn)場(chǎng)拼裝連接，將弦桿連同一個(gè)或兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在工廠焊接成整體，現(xiàn)場(chǎng)用高強(qiáng)螺栓連接成桁架。

該橋鋼桁加勁梁主桁架上弦桿之間連接的栓焊節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，為深入了解該栓焊整體節(jié)點(diǎn)的靜力性能和疲勞可靠性，為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全，對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)分析是非常必要的。

圖1 主桁架結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

圖2 上弦桿主桁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖

2 疲勞荷載譜的確定

2.1 標(biāo)準(zhǔn)疲勞車的選取

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》（JTJ 025-86）[6]中針對(duì)橋梁疲勞設(shè)計(jì)的車輛荷載沒(méi)有明確的規(guī)定，僅指出：進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，可根據(jù)橋梁的實(shí)際行車情況，選用實(shí)際經(jīng)常發(fā)生的荷載組合中的車輛荷載進(jìn)行計(jì)算。

相關(guān)研究表明，只有較重的車輛過(guò)橋才會(huì)引起橋梁構(gòu)件的疲勞損傷，而小型車輛則不引起疲勞問(wèn)題，如英國(guó)規(guī)范[7]BS5400認(rèn)為總重在30 kN以上的車輛才產(chǎn)生疲勞影響，歐洲規(guī)范[8]Eurocode 1則認(rèn)為軸重在100 kN以上時(shí)才產(chǎn)生疲勞影響。美國(guó)規(guī)范[9]ASSHTO中規(guī)定：橋梁車輛中產(chǎn)生疲勞的荷載采用車輛荷載，全橋布置一輛三軸設(shè)計(jì)貨車，總重325 kN，按最不利位置加載，由此產(chǎn)生的計(jì)算部位的應(yīng)力幅△s作為計(jì)算疲勞積累損傷的依據(jù)。

英國(guó)規(guī)范[7]BS5400中的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛是一輛重320 kN的四軸車，如圖3所示。根據(jù)我國(guó)湛江海灣大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋、貴州壩陵河大橋等的設(shè)計(jì)交通流量，通過(guò)對(duì)各種車型所占比例的分析，按等效的疲勞損傷原理，由等效軸重公式得到的等效標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛的總重在320 kN左右，與BS5400接近。所以，本研究中橋梁整體節(jié)點(diǎn)疲勞荷載的標(biāo)準(zhǔn)車輛采用英國(guó)規(guī)范[7]BS5400進(jìn)行取值。

圖3 BS5圖圖0中標(biāo)準(zhǔn)疲勞車的軸重布置（單位：c m）

通過(guò)全橋空間有限元計(jì)算，確定主桁架弦桿軸力幅值最大的鋼桁加勁梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。求出的一輛BS 5400標(biāo)準(zhǔn)疲勞車作用在不同車道下的節(jié)點(diǎn)主桁架軸力幅值，如表1所示。

表1 一輛BS5表表0標(biāo)準(zhǔn)疲勞車作用在不同車道的主桁架軸力幅值（單位：k N，正號(hào)為壓）

2.2 疲勞內(nèi)力譜

在正常運(yùn)營(yíng)中，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)疲勞車作用的車輛只占全部通行車輛的一小部分。按美國(guó)規(guī)范[9]只占10%～20%（不同的公路類別不一樣），而按英國(guó)規(guī)范[7]BS5400則占20%～25%。參考國(guó)外的規(guī)范和研究成果，考慮到我國(guó)公路中大型貨車所占比例較高，而且超載現(xiàn)象比較普遍，本研究中對(duì)能引起疲勞損傷的車輛數(shù)按總交通量的30%進(jìn)行計(jì)算。

偏于安全考慮，按我國(guó)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003）[10]中規(guī)定的交通量計(jì)算，該橋（雙向4車道，時(shí)速60 km/h）能適應(yīng)將各種汽車折合成小客車的年平均最大日交通量為15000 pcu。由上面分析，能引起疲勞損傷的車輛數(shù)占總交通量的30%，故每日單向貨車交通量為：

按照英國(guó)規(guī)范[7]BS5400規(guī)定，對(duì)于雙向4車道汽車專用線慢車道與臨車道的交通量按比值1.5∶1分配。由此可得在設(shè)計(jì)壽命100 a內(nèi)，各車道通過(guò)的車輛數(shù)為：

主車道：nl=n4=2250×365×100×1.5/2.5=49275000（pcu）

超車道：n2=n3=2250×365×100×1.0/2.5=32850000（pcu）

根據(jù)模型試驗(yàn)研究周期的要求，疲勞試驗(yàn)一般都控制在幾百萬(wàn)次以內(nèi)，故根據(jù)疲勞損傷等效原則適當(dāng)提高荷載幅值，從而減少循環(huán)次數(shù)。根據(jù)各車道產(chǎn)生的荷載幅值和相應(yīng)的作用次數(shù)及BS5400關(guān)于沖擊效應(yīng)和多車效應(yīng)，由疲勞損傷累積理論，可把整體計(jì)算的內(nèi)力幅值等效成循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次時(shí)的內(nèi)力幅值，計(jì)算結(jié)果為：

式中：△Pupper為循環(huán)次數(shù);n0為200萬(wàn)次時(shí)主桁架弦桿的等效軸力幅分別為一輛BS 5400標(biāo)準(zhǔn)疲勞車作用在不同車道所引起的主桁架弦桿軸力幅及在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的相應(yīng)作用次數(shù)；KF為多車效應(yīng)調(diào)整系數(shù)，這里橋跨L=730 m，大于200 m，KB=P2/Pl=396.4/430.8=0.92，查表可得 KF=2.93；m 為S-N曲線斜率的負(fù)倒數(shù)，取m=3。

同理可得，循環(huán)次數(shù)n0為200萬(wàn)次時(shí)斜腹桿的等效軸力幅△Pupper=1546 kN。

3 疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

3.1 加載設(shè)備

參照大多數(shù)桁架整體節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)方法，綜合考慮到節(jié)點(diǎn)模型制作的力學(xué)邊界條件、尺寸效應(yīng)、加載條件、局部應(yīng)力效應(yīng)以及實(shí)驗(yàn)室條件等各種因素的影響，決定本次試驗(yàn)采用桁架加載。加載設(shè)備為MTS伺服加載系統(tǒng)為MTS 1000 kN，加載頻率最高為5 Hz。模型整體裝置及加載示意如圖4所示。

圖4 加載示意圖

3.2 模型相似比的確定

由上面疲勞試驗(yàn)荷載的確定可以知道，對(duì)橋梁的實(shí)際整體節(jié)點(diǎn)尺寸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，即足尺試驗(yàn)時(shí)，循環(huán)次數(shù)n0為200萬(wàn)次時(shí)主桁架弦桿的等效軸力幅為2598 kN，這需要較大的加載設(shè)備，且構(gòu)件所需的試驗(yàn)場(chǎng)地也很大，試驗(yàn)室一般都很難滿足這兩個(gè)要求，通常的做法是將試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行一定比例的縮尺，通過(guò)減小試驗(yàn)構(gòu)件尺寸來(lái)降低所需加載力的大小。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，進(jìn)行試驗(yàn)的MTS伺服加載系統(tǒng)最大加載為1000 kN，加載頻率最高為5 Hz。由于加載越大，MTS伺服加載系統(tǒng)能提供的出力頻率越小，綜合考慮到加載設(shè)備實(shí)際加載能力和試驗(yàn)周期要求，取實(shí)際加載為480 kN，加載頻率為2 Hz，即加載200萬(wàn)次所需時(shí)間為11.5 d。

考慮節(jié)點(diǎn)是通過(guò)桁架加載，當(dāng)MTS加載480 kN時(shí)，施加到弦桿上的軸力為720 kN，據(jù)此可以得到試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的尺寸長(zhǎng)度相似比：

桁架由上、下弦桿，腹桿，節(jié)點(diǎn)板幾部分構(gòu)件組成，材料全部為鋼，考慮到模型試驗(yàn)相似比1︰1.9之后，實(shí)橋與模型材料對(duì)照列于表2。實(shí)橋與模型鋼結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度和彈性模量一致。

表2 實(shí)橋與試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧蠈?duì)照

模型試驗(yàn)的方法是以相似原理為依據(jù)，按相似原理進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。按相似準(zhǔn)則可得到模型各物理量理論相似比，結(jié)果列于表3中，模型制作和加載布置按此表進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3 模型各物理量理論相似比

按照模型試驗(yàn)相似比制作的桁架模型及整體節(jié)點(diǎn)模型尺寸如圖5、圖6所示，模型中采用8.8S級(jí)M14螺栓。

圖5 試驗(yàn)加載模型圖（單位：mm）

圖6 縮尺整體節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

3.3 加載方案

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图凹虞d力，制定加載方案如下。

（1）疲勞試驗(yàn)荷載采用MTS 1000試驗(yàn)機(jī)加載，疲勞荷載為常幅正弦波，加載頻率 2 Hz，試驗(yàn)的終極循環(huán)次數(shù)為加至模型疲勞破壞或荷載循環(huán)200萬(wàn)次。

（2）在試件跨中施加480 kN的豎向荷載幅，使模型上弦桿的軸力幅達(dá)到720 kN。實(shí)際加載時(shí)，加載下限為50 kN，加載上限為530 kN。

（3）加載試驗(yàn)前，先對(duì)模型反復(fù)加卸載3次，以消除非線性等影響。

（4）疲勞試驗(yàn)前(0次應(yīng)力循環(huán))，施加靜力荷載480 kN，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力進(jìn)行測(cè)試。

（5）試驗(yàn)過(guò)程中，前期約每隔30萬(wàn)次，即30萬(wàn)次、60萬(wàn)次、90萬(wàn)次、120萬(wàn)次，后期約每隔20萬(wàn)次，即 140萬(wàn)次、160次、180次、200萬(wàn)次，停機(jī)一次，進(jìn)行靜力試驗(yàn)，靜力荷載480 kN，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶畈焕芰Σ课坏膽?yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力范圍和最大應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。

（6）一旦發(fā)現(xiàn)裂紋，停機(jī)測(cè)量應(yīng)力一次，并根據(jù)情況調(diào)整停機(jī)靜力試驗(yàn)的頻次，而后采用裂紋擴(kuò)展計(jì)觀測(cè)裂紋隨疲勞加載次數(shù)的擴(kuò)展情況，如果需要，采取必要的止裂措施。

3.4 測(cè)試方案

試驗(yàn)主要對(duì)整體節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)有限元分析結(jié)果及實(shí)際構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶畈焕芰Σ课坏膽?yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力范圍和最大應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主要布置在：（1）弦桿焊縫兩側(cè)；（2）幾何突變或焊接構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域；（3）高應(yīng)力區(qū)域；（4）節(jié)點(diǎn)板區(qū)域和高強(qiáng)度螺栓拼接端；（5）其它重要而又有代表性的部位。圖7為實(shí)驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)布置。其中：外側(cè)節(jié)點(diǎn)板應(yīng)變片81片以字母W開(kāi)頭，內(nèi)側(cè)106片以字母N表示，對(duì)照節(jié)點(diǎn)板44片以字母L表示，腹板6片以字母H表示，共計(jì)237片。

圖7 節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 靜力計(jì)算分析

計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙采用大型通用有限元程序ANSYS建立計(jì)算模型，模型按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建模，為避免圣維南效應(yīng)的影響，所有桿件長(zhǎng)度均大于截面長(zhǎng)邊尺寸的2倍以上。整個(gè)有限元模型共8122個(gè)節(jié)點(diǎn)，7926個(gè)單元，如圖8所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)有限元分析模型

為驗(yàn)證有限元邊界條件的正確性，將試驗(yàn)疲勞0次循環(huán)下的480 kN靜載作用下的試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算作對(duì)比分析，有限元模型中只激活主桁平面內(nèi)部分。圖9和圖10為有限元計(jì)算結(jié)果，可以看出，除去加載端局部效應(yīng)外，節(jié)點(diǎn)絕大部分區(qū)域的應(yīng)力均小于100 MPa，滿足受力要求，只在整體節(jié)點(diǎn)板的上、下圓弧過(guò)渡段出現(xiàn)200 MPa左右的集中應(yīng)力，建議采取措施降低此處的集中應(yīng)力。

表4為節(jié)點(diǎn)部分關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算結(jié)果的比較?？梢钥闯?，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值接近，應(yīng)力分布與試驗(yàn)結(jié)果一致，可以認(rèn)為采取的邊界條件及試驗(yàn)方案符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

表4 對(duì)比模型有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較（一）（單位：MP a）

4.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)桁架試加載和調(diào)試，疲勞試驗(yàn)于2010年12月7日正式開(kāi)始，2010年12月23日結(jié)束，歷時(shí)16 d。在應(yīng)力循環(huán)分別為0次、30.24萬(wàn)次、60.48萬(wàn)次、92.88萬(wàn)次、123.84萬(wàn)次、144.00萬(wàn)次、164.16萬(wàn)次、184.32萬(wàn)次和200.16萬(wàn)次停機(jī)后，在480 kN靜力荷載下模型全部237個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試、對(duì)比，并對(duì)模型的變形進(jìn)行測(cè)量。

圖11為部分關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力的變化對(duì)比情況?？梢钥闯?，在試驗(yàn)荷載作用下測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)總體變化不大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在200萬(wàn)次試驗(yàn)荷載作用下仍具有良好的疲勞性能。

本次試驗(yàn)采用的疲勞荷載、試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榘凑盏刃г怼⑾嗨圃磉M(jìn)行換算和模擬后的結(jié)果，存在一定的誤差，但應(yīng)力的分布規(guī)律、試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本上可以反映試件的工作狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果可以從一定程度上反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗疲勞性能。

4.3 疲勞強(qiáng)度安全評(píng)價(jià)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)疲勞加載200萬(wàn)次的過(guò)程中，模型上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值波動(dòng)范圍很小，具有良好的重復(fù)性，結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生因局部開(kāi)裂、損傷而引起應(yīng)力顯著變化的現(xiàn)象，在模型結(jié)構(gòu)表面上沒(méi)有觀察到任何宏觀裂紋，說(shuō)明沒(méi)有疲勞裂紋萌生或擴(kuò)展。

圖11 關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力變化

對(duì)模型加載標(biāo)準(zhǔn)疲勞車作用下的桁架軸力，所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均在40MPa以內(nèi)，低于按照我國(guó)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）[6]規(guī)定的各種構(gòu)造細(xì)部的疲勞容許應(yīng)力。

此外，疲勞試驗(yàn)機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，行程和加載噸位的變化很小，沒(méi)有跡象顯示試驗(yàn)過(guò)程中模型的剛度發(fā)生了變化。

5 結(jié)論

本研究對(duì)懸索橋鋼桁加勁梁主桁架上弦桿整體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力性能分析和1︰1.9的縮尺模型疲勞試驗(yàn)。根據(jù)靜力計(jì)算及疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)該橋的交通狀況與試驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地等條件，由疲勞損傷累積理論確定了試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票?，制定出疲勞荷載取值及加載方案。

（2）節(jié)點(diǎn)的靜力分析表明，在試驗(yàn)荷載下，節(jié)點(diǎn)的絕大部分區(qū)域的應(yīng)力均小于100 MPa，滿足受力要求，但整體節(jié)點(diǎn)板的上、下圓弧過(guò)渡段出現(xiàn)200 MPa左右的集中應(yīng)力，建議采取措施降低此處的集中應(yīng)力。

（3）節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)疲勞加載200萬(wàn)次的過(guò)程中，模型上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生因局部開(kāi)裂、損傷而引起應(yīng)力顯著變化的現(xiàn)象，在模型結(jié)構(gòu)表面上也未觀察到任何疲勞裂紋萌生或擴(kuò)展。

（4）在標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載作用下，節(jié)點(diǎn)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平較低，滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）[6]規(guī)定的各種構(gòu)造細(xì)部的疲勞容許應(yīng)力要求。

（5）該橋主桁架采用的整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)在結(jié)構(gòu)使用壽命期間及正常養(yǎng)護(hù)維修情況下，不會(huì)發(fā)生疲勞開(kāi)裂，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

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[6]JTJ 025—86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)，BS5400，鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋 [S].

[8]歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)，美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].[10]JTGB01—2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].