軌道橫梁和整體節(jié)點連接疲勞試驗

1、軌道橫梁和整體節(jié)點連接疲勞試驗    摘要:對重慶菜園壩長江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點的連結構造細節(jié)進行了足尺模型疲勞試驗.通過有限元分析,選定了試驗節(jié)點,確定疲勞荷載上限為660kN,下限為50kN.試驗實測應力幅為31.33MPa,加載200萬次后,試驗模型未出現裂紋.試驗結果表明,該橋軌道橫梁與整體節(jié)點的連接構造細節(jié)在其使用壽命期間內不會發(fā)生疲勞開裂,疲勞強度滿足要求. 關鍵詞:公路-輕軌兩用橋;鋼橋;軌道橫梁;整體節(jié)點;疲勞試驗 近年來,隨著鋼橋跨度的增大以及焊接技術的成熟,整體節(jié)點技術得到了較廣泛的運用,如運用最早的孫口黃河大橋、隨后竣工

2、的蕪湖長江大橋、渝懷鐵路長壽長江大橋以及正在施工的重慶菜園壩長江大橋,重慶朝天門長江大橋鋼桁拱初步設計也采用了整體節(jié)點.鋼梁各桿件間的連接均通過整體節(jié)點,在節(jié)點外用高強度螺栓連接.整體節(jié)點構造復雜,焊縫密集,既有對接焊縫,又有棱角焊縫和角焊縫.      對于采用整體節(jié)點的大跨度鋼橋,疲勞問題受到廣泛關注與重視.曾對孫口黃河大橋進行了整體節(jié)點模型試驗(幾何相似比13),對整體節(jié)點技術在孫口黃河大橋上的應用提供了保障1,2.為了防止蕪湖長江大橋整體節(jié)點出現疲勞裂紋,保證橋梁安全運營,延長使用期限,也進行了鋼梁焊接整體節(jié)點疲勞試驗(幾何相似比14)

3、3,4.      重慶菜園壩長江大橋為中國首座特大公路-輕軌兩用橋,采用預應力混凝土Y型剛構與提籃鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結構.系桿拱橋主跨420m,對稱布置的邊跨和側跨分別為102m和88m.下層橋面的軌道橫梁直接承受輕軌荷載,并將輕軌荷載通過其與整體節(jié)點的高強度螺栓連接傳遞給整體節(jié)點,板厚公差與制造公差對高強度螺栓連接的疲勞強度影響很大.此外,整體節(jié)點與軌道橫梁的連接焊縫(整體節(jié)點內部)的疲勞性能也引起設計人員擔心.因此,有必要對重慶菜園壩長江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點連接進行疲勞試驗,同時為整體節(jié)點技術在大跨度鋼橋中的應用提供參考.1 試驗

4、方案1.1 試驗模型軌道橫梁與整體節(jié)點連接處構造細節(jié)的疲勞性能受多種因素影響.鑒于構造細節(jié)的疲勞性能與結構尺寸的關系非常密切,而縮尺模型與實際結構疲勞性能之間的關系不易確定,因此采用足尺模型進行疲勞試驗(圖1).          模型設計按重慶菜園壩長江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點原型,要求模型與實橋結構(原型)的應力分布、應力集中情況和表面條件等盡可能相似.模型包含實橋軌道橫梁與整體節(jié)點連接的全部構造細節(jié),構造細節(jié)的布置與實橋結構相同,采用11的幾何模型,模型材質和實橋材質完全相同.通過全橋有限元計算,選取

5、實橋中受力最不利的有代表性的軌道橫梁與整體節(jié)點進行疲勞試驗.由于下平縱聯、斜撐桿及斜腹桿的荷載幅值變化相對較小,而且疲勞試驗空間加載的難度大且不易控制,模型中去掉了下平縱聯、豎桿、斜腹桿及斜撐桿.軌道橫梁的長度不是實橋的1/2,而是由軌道橫梁與整體節(jié)點連接處的彎矩和剪力決定.試驗的邊界約束條件為軌道橫梁梁端簡支,下弦桿兩端與地面固定.1.2 試驗加載試驗在西南交通大學結構工程試驗中心進行,加載設備為美國MTS公司制造的1MN全自動液壓伺服疲勞試驗機.通過對重慶菜園壩長江大橋的全橋結構分析,結合對該橋的交通流量預測,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、重慶輕軌列車和六車道汽車荷載.      公路荷載譜的確定:分別按BS5400標準疲勞車式樣、典型車式樣和AASHTO標準疲勞車3種情況進行計算、比較,結果AASHTO標準疲勞車最為不利.公路荷載的作用次數確定為在該橋使用壽命期內實際交通量的10%.輕軌荷載譜的確定:典型荷載為重慶輕軌標準疲勞車,軸重力90kN,單車重力360kN,軸距與實際車輛一致,初期、近期及遠期編組分別為4,6和8輛車.典型荷載的作用次數為在該橋的設計壽命期間內輕軌列車的設計運行次數.      考慮到200萬次疲勞加載屬

7、于研究習慣,而鋼橋疲勞屬于變幅、低應力、高循環(huán)、長壽命的疲勞范疇.但根據目前的試驗設備、技術水平和試驗時間要求,通常只能進行常幅疲勞試驗.通過Miner線性累計損傷律,將按公路荷載譜和輕軌荷載譜確定的變幅循環(huán)應力幅及次數等效為損傷度相同的200萬次的常幅循環(huán)應力幅.軌道橫梁與整體節(jié)點連接處疲勞試驗200萬次的等效彎矩幅為663kN·m,等效剪力幅為388kN.由軌道橫梁與整體節(jié)點連接處的控制內力幅,換算得到疲勞加載200萬次的荷載上限為660kN,下限為50kN.通過計算分析,加載中心點在距軌道橫梁簡支端3.05m處.      疲勞

8、加載前進行靜載試驗,靜載試驗采用逐級加載的方式.荷載分級:50kN200kN350kN500kN660kN500kN350kN200kN50kN.      疲勞加載到一定次數后停機,進行(逐級加載的)靜載試驗,荷載分級與疲勞加載前的靜載試驗相同,以考察試件是否出現裂紋以及測點應變是否出現突變.      經疲勞預加載,確定加載頻率為5Hz.1.3 試驗測試測點(部分)布置見圖2,應變測量采用電測法. 模型上全部布置三向45°應變花.軌道橫梁與整體節(jié)點連接處附近及有限元分析確定的應力較

9、大處布置較多測點,而其他部位布置少量測點.對連接焊縫附近的測點,盡量貼近焊縫布置應變花;對于高強度螺栓連接部位,在高強度螺栓連接板上布置應變花.          2004年11月19日進行疲勞加載前的靜載試驗,隨后開始進行疲勞加載;11月22日,疲勞加載      279169次后,停機進行靜載試驗;11月23日、25日和27日,分別疲勞加載至50萬次、100萬次和150萬次后,停機進行靜載試驗;最后,疲勞加載到200萬次后,停機進行靜載試驗.2 試驗結

10、果分析疲勞加載前的靜載試驗表明,模型應力水平較低,加載至最大荷載660kN時,最大主拉應力為31.33MPa,出現在軌道橫梁與整體節(jié)點螺栓連接板上的L1-2測點;最大vonMises應力為40.47MPa,出現在軌道橫梁與整體節(jié)點豎向連接板上的B2-6測點.      疲勞加載100萬次后,停機進行靜載試驗.加載至660kN時,最大主拉應力為14.83MPa,出現在軌道橫梁與整體節(jié)點豎向連接板上的B2-1測點.疲勞加載200萬次后,停機進行靜載試驗,加載至660kN時,最大主拉應力為17.12MPa,出現在軌道橫梁與整體節(jié)點螺栓連接板上的L1-

11、2測點.可見,模型的疲勞應力幅水平較低(圖3).每次靜載試驗時,模型主拉應力基本呈線性變化,各次靜載試驗加載至最大荷載660kN時,主拉應力數值差別不大(圖4).疲勞加載前后靜載試驗的應力值有差異,這可能是由于試件未與地面接觸密實、邊界條件有所改變所致.從結構安全方面考慮,選取試驗實測的最大主拉應力,將軌道橫梁與整體節(jié)點焊接連接及螺栓連接細節(jié)的實測應力幅確定為31.33MPa.       對試驗模型建立了有限元計算模型(圖5),計算結果見圖6和表1(和分別為實測應力與計算應力).由于下弦桿兩端采用鋼絞線錨固在試驗臺座頂板,計算了3種

12、邊界條件,將鋼絞線視為簡支、固接和彈簧,最后選取了誤差較小的彈簧邊界的計算結果.從圖6和表1可見,模型應力水平低.由于邊界條件、焊縫和螺栓連接板與計算模型有差異,因此,實測值比計算值略大.    3疲勞強度安全性評價3.1根據試驗結果評價從疲勞試驗過程中靜載試驗的應力來看,絕大多數測點的主拉應力小于10MPa,少數測點的主拉應力接近30MPa,實測拉應力遠低于各種構造細節(jié)的疲勞強度.另外,整個疲勞試驗過程中未發(fā)現試件有異?，F象,靜載試驗停機檢查試件,也未發(fā)現裂紋.200萬次疲勞試驗后,對試件進行檢查,未發(fā)現裂紋.按疲勞破壞的一般判斷標準(即出現肉眼可見的

13、裂紋),從試驗結果看,重慶菜園壩長江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點連接的疲勞強度在其使用壽命期間內不會發(fā)生疲勞破壞.3.2根據規(guī)范評價國內外鋼結構橋梁設計規(guī)范都針對各種典型的焊接或非焊接連接細節(jié)給出了相應的疲勞容許應力.      對于軌道橫梁與整體節(jié)點的連接焊縫,按我國公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范(JTJ02586),屬于橫向角接焊接頭7.1a類,容許應力類別為D類,考慮應力比介于0-1之間,則疲勞容許應力幅為90.6145.0MPa;按中國鐵路橋梁檢定規(guī)范(2004),屬于傳力型的十字型焊接接頭4(1)類,基準疲勞強度等級為65.0MPa;按英國

14、BS5400規(guī)范,細節(jié)等級F對應的熔透焊連接細節(jié),200萬次97.7%保證率下疲勞強度為68.2MPa5;按歐洲鋼結構協會(ECCS)鋼結構的疲勞設計規(guī)范,完全熔透十字型接頭承載焊縫(細節(jié)類型71),200萬次97.7%保證率下的疲勞強度為71.0MPa;按美國公路橋梁設計規(guī)范(AASHTO1994版),細部分類C的常幅疲勞臨界值為69.0MPa6;按日本本州四國聯絡橋上部結構設計標準及解說,對于垂直應力方向有K形焊縫或大填角焊接母材的接頭類型,其基本的疲勞容許應力范圍C等級規(guī)定為105.0MPa.根據我國蕪湖長江大橋疲勞試驗結果蕪湖長江大橋正橋鋼梁疲勞驗算規(guī)定,對于疲勞抗力類別熔透十字型傳力

15、焊縫,200萬次的疲勞容許應力為70.7MPa.          對于軌道橫梁與整體節(jié)點的高強度螺栓連接細節(jié),按我國公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范(JTJ02586),屬于高強度螺栓連接3.2a類,容許應力類別為C類,考慮應力比介于0-1之間,則疲勞容許應力幅為103.1165.0MPa;按我國鐵路橋梁檢定規(guī)范(2004)規(guī)定屬于高強度螺栓連接3(2)類,基準疲勞強度等級為112.0MPa;按英國BS5400規(guī)范,摩擦型高強螺栓連接的構造細節(jié)類型為C類,200萬次97.7%保證率下疲勞強度為123.9M

16、Pa5;按美國公路橋梁設計規(guī)范(AASHTO1994版),細部分類B的常幅疲勞臨界值為110.0MPa6.      表2給出了有關規(guī)范規(guī)定的軌道橫梁與整體節(jié)點連接細節(jié)的疲勞容許應力,中國鐵路橋梁檢定規(guī)范(2004)、英國BS5400規(guī)范、歐洲鋼結構協會(ECCS)規(guī)范和美國AASHTO規(guī)范針對焊接連接給出的疲勞容許應力幅與我國蕪湖長江大橋的疲勞試驗結果比較接近,約為70MPa.對于螺栓連接,我國孫口黃河大橋疲勞試驗得到的疲勞容許應力為49.7105.8MPa.重慶菜園壩長江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點焊接連接及螺栓連接細節(jié)的實測應力幅為31.33M

17、Pa,低于按上述規(guī)范確定的疲勞容許應力(應力幅),符合要求.4 結論根據對重慶菜園壩長江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點連接進行的足尺模型疲勞試驗,實測應力幅為31.33MPa,疲勞加載200萬次后,試驗模型未出現裂紋,因此可以認為:在正常養(yǎng)護和維修情況下,重慶菜園壩長江大橋軌道橫梁與整體節(jié)點連接的各種構造細節(jié)在其使用壽命期間內不會發(fā)生疲勞開裂,疲勞強度滿足要求. 參考文獻:1中華人民共和國鐵道部大橋工程局.孫口黃河大橋技術總結M.北京:科學技術出版社,1997:109-192.2王嘉弟.鋼橋整體節(jié)點對接焊縫力學性能分析J.橋梁建設,1997(3):44-49.WANGJiad.iAnalysesofmechanicalbehaviourforthebuttweldedjointofthewholenodeinsteeltrussbridgeJ.Bridge Construction,1997(3):44-49.3周孟波,秦順全.蕪湖長江大橋大跨度低塔斜拉橋板桁組合結構建造技術M.北京:中國鐵道出版社,2004:338-352.4王天亮,王邦楣,潘東發(fā).蕪湖長江大橋鋼梁整體節(jié)點疲勞試驗研究