王 麗,趙欣欣

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

隨著我國客運專線鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，數(shù)座跨越長江、黃河的大跨度鐵路鋼橋相繼落成。這些橋梁大體可分為梁拱體系和梁索體系，當(dāng)跨度<400 m時，結(jié)構(gòu)形式以鋼桁拱橋為主，如南京大勝關(guān)長江大橋；當(dāng)跨度>400 m時，結(jié)構(gòu)形式以斜拉橋為主，如滬通鐵路長江大橋。主梁均采用2片或3片主桁的鋼桁梁結(jié)構(gòu)。為滿足多線鐵路高速行車以及公鐵路合建的要求，新建大跨度鋼橋采用了大量的新材料、新構(gòu)造和新工藝，在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，其關(guān)鍵構(gòu)造的疲勞性能就成為學(xué)界的研究熱點。對于有些在設(shè)計中疲勞強度較低但又無法避免的構(gòu)造細(xì)節(jié)，采取超聲波錘擊的方法以改善疲勞性能成為大跨度鋼橋建設(shè)中首選方案。本文研究針對十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)和焊接蓋板構(gòu)造2種新型構(gòu)造細(xì)節(jié)，開展超聲波錘擊對其疲勞性能的影響試驗，為新建大跨度鋼橋新型構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計和施工提供依據(jù)。

1 國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范規(guī)定

1.1 十字形熔透焊接構(gòu)造

歐洲規(guī)范Eurocode 3[1]中對于十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)分為多種不同板厚組合的情況。美國規(guī)范AREMA(2010)[2]中對十字形焊接構(gòu)造的焊縫是否熔透未予區(qū)分，2種構(gòu)造均采用同一等級的疲勞強度。我國TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]中對十字形熔透焊接(傳力型)構(gòu)造的疲勞強度未予規(guī)定。我國鐵運函[2004]120號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[4]與美國規(guī)范相同，對十字形焊接接頭是否熔透也未予區(qū)分，統(tǒng)一規(guī)定其200萬次疲勞強度為65 MPa。事實上這是不合理的，非熔透十字形焊接構(gòu)造的疲勞強度較低，這一點已經(jīng)在相關(guān)研究中予以驗證[5]，其試驗200萬次疲勞強度僅為50.8 MPa，用于設(shè)計時還需進(jìn)行一定的折減。Eurocode 3中非熔透十字形焊接(傳力型)構(gòu)造的200萬次疲勞強度僅為36 MPa。各國規(guī)范該類構(gòu)造的S-N曲線見圖1。其中Eurocode 3中選擇80 MPa等級的同類構(gòu)造進(jìn)行比較，這是因為該等級是鋼橋構(gòu)造中常見的尺寸。 AS 5100是澳大利亞橋梁設(shè)計規(guī)范[6]。

圖1 各國規(guī)范中十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)的S-N曲線

從圖1中可以看出：200萬次及以下疲勞強度最大的是AREMA，其次是Eurocode 3,AS 5100，我國橋檢規(guī)最小。AREMA未對200萬次以后的疲勞曲線予以規(guī)定，僅規(guī)定了超過200萬次后采用的截止限值，圖中按此處理。AS 5100對于長壽命周期的規(guī)定與Eurocode 3相同。我國設(shè)計規(guī)范中對于長壽命周期的疲勞強度未作規(guī)定，繪制本圖時參考Eurocode 3的規(guī)定執(zhí)行。AS 5100,Eurocode 3和我國規(guī)范的疲勞曲線規(guī)律相同。

1.2 焊接蓋板構(gòu)造

Eurocode 3和AREMA對于焊接蓋板構(gòu)造疲勞強度的規(guī)定依據(jù)不同的板厚組合分為不同的情況。各國規(guī)范中該類構(gòu)造的S-N曲線見圖2。

圖2 各國規(guī)范中蓋板焊縫構(gòu)造的S-N曲線

從圖2中可以看出：各國規(guī)范對于蓋板焊縫構(gòu)造的疲勞強度規(guī)定相差較大，200萬次疲勞強度從36 MPa 變化至80 MPa，其中我國規(guī)范值明顯高于其他國家。

2 疲勞試件設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主桁節(jié)點作為鋼桁梁關(guān)鍵受力、傳力部位，受力較大且較為復(fù)雜，其上各種構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能需要予以特別關(guān)注[7]。以往的大跨度斜拉橋?qū)τ谡w節(jié)點的處理方式是：節(jié)點板整體穿過弦桿頂(底)板，節(jié)點板與弦桿頂(底)板之間采用塞焊的方式，這種構(gòu)造的疲勞性能在以往的疲勞試驗中已經(jīng)得到驗證。近年來，產(chǎn)生了一種新型處理方法，即將節(jié)點板在下弦頂板部位斷開，通過熔透焊分別接于下弦頂板的上下兩側(cè)。Eurocode 3和AREMA中對該構(gòu)造分別承受豎向力和縱向力時，不同板厚組合情況的疲勞強度進(jìn)行了規(guī)定。我國規(guī)范TB 10002.2—2005中未對該類構(gòu)造的疲勞強度進(jìn)行規(guī)定。

對于跨度較大的斜拉橋結(jié)構(gòu)體系，傳統(tǒng)的處理方式是斜拉索通過錨拉板在弦桿外部與弦桿相連。近年來由于有些橋梁受空間限制等，部分斜拉橋的斜拉索錨固于弦桿內(nèi)部，在斜拉索穿出弦桿部位通過焊接蓋板對弦桿局部進(jìn)行加強。Eurocode 3和AREMA分別對不同板厚組合下相似的該類構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強度進(jìn)行了規(guī)定，在數(shù)值上均小于我國規(guī)范。我國規(guī)范TB10002.2—2005中該構(gòu)造的疲勞曲線是根據(jù)板梁在受彎狀態(tài)下的疲勞試驗制定的。該構(gòu)造位于斜拉橋的弦桿上，承受著較大的全截面軸向拉應(yīng)力，而一般來說，全截面受拉的疲勞性能比受彎的情況更為不利。

鑒于上述情況，設(shè)計了十字形熔透焊接試件(傳力型)和焊接蓋板試件，對其進(jìn)行原試件和超聲波錘擊試件的疲勞試驗[8]。目的是：①掌握2種構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能，提出疲勞抗力設(shè)計指標(biāo)；②掌握超聲波錘擊對于其疲勞性能的影響，為大跨度鋼橋的設(shè)計和施工提供依據(jù)。試件設(shè)計如圖3。

圖3 試件設(shè)計(單位：mm)

3 疲勞試驗

3.1 試驗概況

試驗在中國鐵道科學(xué)研究院高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室橋梁結(jié)構(gòu)試驗室的日本鷺宮±2 000 kN 液壓伺服疲勞試驗機上進(jìn)行。

由于試件均為焊接構(gòu)造，疲勞僅與施加的荷載幅值有關(guān)，同時為使施加的荷載不引起加載設(shè)備反向，產(chǎn)生不必要的誤差，在本次疲勞試驗中各試件加載均采用拉-拉循環(huán)加載。發(fā)現(xiàn)裂紋后，定時記錄裂紋擴展情況和對應(yīng)循環(huán)次數(shù)，繼續(xù)疲勞加載至試件斷裂[9]。最終記錄的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以試件斷裂時的次數(shù)為準(zhǔn)。統(tǒng)計分析的加載應(yīng)力幅為試件的名義應(yīng)力幅，依據(jù)試件破壞截面的公稱尺寸計算。

3.2 疲勞試驗結(jié)果及分析

3.2.1 十字形熔透焊接構(gòu)造

對于十字形熔透焊接構(gòu)造共進(jìn)行了7個原試件、3個超聲波錘擊試件的疲勞試驗。試件均在受力板焊趾處斷裂，如圖4，典型斷口照片如圖5。錘擊與否對斷裂位置和斷口形式基本沒有影響。

圖4 試件斷裂位置圖5 試件斷口

2類試件疲勞試驗結(jié)果見圖6。圖中“超”表示試件經(jīng)過超聲波錘擊。

圖6 十字形熔透焊接試件的疲勞試驗結(jié)果

對7個原試件的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=12.301-3.005lgσ

(1)

式中：N為疲勞循環(huán)次數(shù);σ為疲勞應(yīng)力幅。式(1)中200萬次的疲勞應(yīng)力幅為99.19 MPa。

對3個超聲波錘擊試件的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=26.238-8.561lgσ

(2)

式(2)中200萬次的疲勞應(yīng)力幅為213.19 MPa。

可以看出，對于十字形熔透焊接試件，超聲波錘擊后200萬次疲勞強度是原試件的2.1倍。同時與S-N曲線斜率相關(guān)的m值從3.005增加到了8.561，曲線的斜率明顯減小。該現(xiàn)象表明構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力幅越小超聲波錘擊對其改善效果越明顯,構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力幅越大超聲波錘擊對其改善效果越不明顯。對于本試件，當(dāng)名義應(yīng)力幅達(dá)到298.3 MPa、對應(yīng)次數(shù)為 115 213 次時，超聲波錘擊對其疲勞性能沒有改善。

3.2.2 焊接蓋板構(gòu)造

圖7 原試件斷裂位置

對于焊接蓋板構(gòu)造共進(jìn)行了6個原試件、3個超聲波錘擊試件的疲勞試驗。原試件均從橢圓形蓋板長軸端部焊趾處起裂，之后沿著焊趾發(fā)展到一定程度后，轉(zhuǎn)而沿著水平方向發(fā)展，直至斷裂，如圖7。超聲波錘擊后試件的斷裂位置較為離散，有的從試件中部位置處斷裂，有的從蓋板端部焊趾處斷裂，有的從夾持部位斷裂?？梢钥闯觯N擊與否對該試件的斷裂位置有一定影響。

2類試件疲勞試驗結(jié)果見圖8。

圖8 焊接蓋板試件的疲勞試驗結(jié)果

對6個原試件的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=12.695-3.441lgσ

(3)

式(3)中200萬次的疲勞應(yīng)力幅為72.16 MPa。

對3個超聲波錘擊試件的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到其試驗回歸曲線為

lgN=19.773-6.098lgσ

(4)

式(4)中200萬次的疲勞應(yīng)力幅為161.94 MPa。

可以看出，對于焊接蓋板試件，其試驗200萬次疲勞強度介于我國橋檢規(guī)的上下限之間，與設(shè)計規(guī)范較為接近。按照一般設(shè)計疲勞強度的制定方法，在納入規(guī)范時應(yīng)在試驗值的基礎(chǔ)上考慮不可預(yù)見的因素，將試驗值適當(dāng)降低來作為設(shè)計疲勞強度。總體來說，該構(gòu)造疲勞強度較低，建議進(jìn)行超聲波錘擊。超聲波錘擊后200萬次疲勞強度是原試件的2.2倍。同時與S-N曲線斜率相關(guān)的m值從3.005增加到了6.098，曲線的斜率明顯減小。這一規(guī)律與十字形熔透焊接(傳力型)構(gòu)造錘擊后的疲勞性能是相同的。對于本試件，當(dāng)名義應(yīng)力幅達(dá)到401.0 MPa、對應(yīng)次數(shù)為 8 000 次時，超聲波錘擊對其疲勞性能沒有改善。

4 結(jié)論和建議

1)對十字形熔透焊接構(gòu)造(傳力型)和焊接蓋板構(gòu)造2種構(gòu)造細(xì)節(jié)開展疲勞試驗，掌握了其疲勞破壞方式，制定了疲勞設(shè)計S-N曲線。對于焊接蓋板構(gòu)造，綜合試驗結(jié)果和國內(nèi)外規(guī)范，該構(gòu)造疲勞強度相對偏低，因此建議對橢圓形蓋板長軸焊趾端部一定范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波錘擊，以改善其疲勞性能。

2)超聲波錘擊對于構(gòu)造細(xì)節(jié)的200萬次疲勞強度有較大程度的提高，2種構(gòu)造細(xì)節(jié)在錘擊后疲勞強度為原試件的2倍以上；但是超聲波錘擊后S-N曲線斜率明顯減小，當(dāng)應(yīng)力幅越來越大時，超聲波錘擊對疲勞性能的改善越來越不明顯，即超聲波錘擊并不是在任何狀態(tài)下都能改善構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能。這與以往對于超聲波錘擊能夠改善疲勞性能的籠統(tǒng)認(rèn)識是不同的。由這種趨勢可知，當(dāng)外加應(yīng)力幅增大到一定程度時，超聲波錘擊不會改善構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能。這一點在以往的研究中也得到過證實。

3)超聲波錘擊改善疲勞強度的原理是通過錘擊使焊接部位產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，定性來說，當(dāng)外加應(yīng)力幅較小時，該部位仍處于受壓狀態(tài)，有效改善了其疲勞性能；當(dāng)外加應(yīng)力幅增大到一定程度時，克服了殘余壓應(yīng)力，使該部位處于受拉狀態(tài)，因此疲勞性能改善不明顯。在今后的研究中，應(yīng)對超聲波錘擊前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，以便定量地解釋這一現(xiàn)象，為制定合理的超聲波錘擊工藝提供依據(jù)。

[1]BS EN 1993-1-9:2005.Eurocode 3: Design of steel structures—Part 1-9：Fatigue[S].Brussels:CEN,2005.

[2]American Railway Engineering and Maintenance- of-Way Association(AREMA).Manual for Railway Engineering[S].AREMA:Landover,Md,2010.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2004.

[5]中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.重載鐵路線橋設(shè)備重點安全技術(shù)研究——京廣線既有鋼橋適應(yīng)大軸重重載運輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究分報告之四：京廣線既有鋼橋疲勞評估技術(shù)研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院,2015.

[6]AS 51006—2004 Bridge Design Part 6：Steel and Composite Construction[S].Sydney:Standards Australia International Ltd.,2004.

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