下面文章通過對焊接和栓焊連接兩種正交異性鋼橋面工地接頭連接形式的疲勞試驗(yàn)，確定了兩者的S-N曲線，研究了兩者的疲勞強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。通過建立三官堂大橋?qū)崢虻墓?jié)段有限元模型，采用試驗(yàn)實(shí)測S-N曲線對三官堂大橋橋面板工地接頭進(jìn)行了驗(yàn)算，確認(rèn)了栓焊接頭在實(shí)際工程條件下優(yōu)于焊接接頭。

　　關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板,U肋對接接頭,疲勞開裂,栓焊連接,疲勞試驗(yàn)

　　三官堂大橋位于浙江省寧波市，連接寧波市高新區(qū)與鎮(zhèn)海區(qū)。主橋采用跨度為160m+465m+160m的三跨連續(xù)鋼桁梁，主桁架間距33.7m,主跨支座處主桁高度42.011m，主跨跨中處主桁高度15.5m，主桁高跨比分別為1/11.07和1/30。三官堂大橋采用正交異性鋼橋面板，面板厚度16mm，U肋尺寸為300*300*8mm，橫隔板間距3450mm。

　　正交異性鋼橋面因其優(yōu)越的力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能，自20世紀(jì)50年代被發(fā)明以后，就得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但正交異性鋼橋面板焊縫眾多，在使用過程中常出現(xiàn)疲勞裂紋[2-4]。疲勞裂紋的發(fā)展造成了橋面板剛度下降，鋪裝開裂，行車條件惡化乃至直接影響結(jié)構(gòu)安全。

　　1試件設(shè)計(jì)與邊界條件

　　正交異性鋼橋面板縱向加勁肋工地接頭有兩種連接方式，即采用帶有襯墊板的單面焊接或高強(qiáng)螺栓連接，因其焊接因在現(xiàn)場單面焊接且仰焊作業(yè)，施工質(zhì)量較難保證，易出現(xiàn)疲勞開裂。縱向加勁肋的高強(qiáng)螺栓連接晚于焊接出現(xiàn)，高強(qiáng)螺栓連接接頭雖然具有較高的疲勞強(qiáng)度，但采用高強(qiáng)螺栓連接需要縱向加勁肋下翼緣開設(shè)手孔，手孔的開設(shè)嚴(yán)重削弱了U肋的截面。

　　因此需要對上述兩種連接方式進(jìn)行試驗(yàn)研究以確定上述兩種接頭的疲勞性能。截取正交異性鋼橋面板縱肋工地接頭兩側(cè)各1200mm的部分制作試件，試件總外形尺寸為2400mm*600mm*400mm，試件制作所用材料和制作工藝均與實(shí)橋一致。焊接與栓焊連接組.個(gè)制作了六個(gè)試件，分別編號(hào)為AW1~AW6(ALL-WELD)和BW1-BW6(BOLT-WELD)。

　　為確保試驗(yàn)中試件其他部位不先于縱肋對接接頭部位破壞，在試件U肋和支承板相交處未采取與現(xiàn)行規(guī)范一致的在橫隔板上開孔的做法，而是采取了支承板與U肋相交處雙面角焊縫直接焊接，并在支承板下方設(shè)置鉸支座的方式。

　　栓焊接頭連接的試件采用10.9級M22*65高強(qiáng)螺栓，接頭每側(cè)6個(gè)螺栓，拼接板厚度8mm，高強(qiáng)螺栓接頭拼接區(qū)域噴涂富鋅防滑涂料。經(jīng)檢測，制作試件所用的高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)為0.14，高強(qiáng)螺栓拼接區(qū)域抗滑移系數(shù)0.7，符合《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件(GB/T1231-2006)》要求。

　　2靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)

　　對焊接試件，在面板對接焊縫，嵌補(bǔ)段兩端共三個(gè)截面上粘貼應(yīng)變片，每個(gè)截面粘貼七個(gè)應(yīng)變片，其中五個(gè)位于面板上，間距150均勻分布，位于面板上表面。位于試件中心處上表面的一排應(yīng)變片因正對加載裝置，無法粘貼，因而移至面板背面粘貼。分別在兩邊支座處以及三個(gè)應(yīng)變測量截面的下翼緣中心線處設(shè)置位移傳感器。對栓焊試件，在接頭兩側(cè)橫隔板中心線截面處粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片的分布焊接試件一致。

　　在栓焊試件的拼接板正中心處及第一排螺栓孔處分別粘貼應(yīng)變片，在栓接試件U肋端部面板對接焊縫過焊孔處按照熱點(diǎn)應(yīng)力法測試方法，在距離焊腳6.4mm處和16mm處(0.4倍和1.0倍面板板厚)分別粘貼應(yīng)變片。

　　在兩側(cè)橫隔板中心線截面處下翼緣中心位置設(shè)置位移傳感器。試驗(yàn)時(shí)在試件正中設(shè)置一鋼制滾軸并在作動(dòng)器上安裝靜載試驗(yàn)采用日本鷺宮制作所制造的V605型電液伺服式結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的500kN作動(dòng)器，焊接試件分10級逐級加載至300kN，栓焊試件分14級逐級加載至420kN，記錄每級荷載下個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變。

　　在靜載試驗(yàn)完成后拆除預(yù)期破壞部位的應(yīng)變片以免影響觀察裂紋，然后開始施加疲勞荷載，疲勞荷載的最小荷載指定為10kN，焊接試件最大荷載從210kN到350kN，栓焊試件295kN到402.5kN，加載頻率4Hz。首先從較大的荷載開始施加，隨后逐漸根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)狀況調(diào)整荷載，使得數(shù)據(jù)點(diǎn)基本均勻分布。在開始施加疲勞荷載后，每加載兩小時(shí)仔細(xì)觀察試件各處焊縫，確認(rèn)試件是否開裂，如有開裂，則記錄首次發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)的加載次數(shù)，用粉筆標(biāo)記裂紋尖端，并記錄加載時(shí)間。發(fā)現(xiàn)裂紋后縮短觀察時(shí)間間隔。

　　隨著裂紋的發(fā)展，試件承載力和剛度急劇下降，一直加載至試件承載力小于最大疲勞荷載，無法繼續(xù)加載時(shí)停止加載。焊接試件首先在U肋弧形段出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋以后裂紋同時(shí)向上發(fā)展和沿下翼緣擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致U肋喪失承載力。栓焊試件的裂紋首先出現(xiàn)在拼接板下邊緣中的彎矩最大處或首排螺栓孔下方，若裂紋出現(xiàn)在拼接板下邊緣正中位置，則裂紋向上擴(kuò)展直至拼接板完全斷裂，若裂紋發(fā)生在首排螺栓孔下方，則裂紋擴(kuò)展至螺栓孔后無法繼續(xù)擴(kuò)展，直至螺栓孔對側(cè)形成新的疲勞源，在裂紋擴(kuò)展至螺栓孔時(shí)，部分高強(qiáng)螺栓的墊圈發(fā)生破裂。

　　因焊接接頭和栓焊接頭結(jié)構(gòu)不一致，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在不同的構(gòu)造處，應(yīng)力-壽命曲線不能完全反映結(jié)構(gòu)的疲勞性能，因此以兩者的荷載-壽命曲線進(jìn)行對比。從圖中可以看出，在同等荷載的情況下，栓焊接頭疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于焊接接頭，采用與《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD64-2015)》中給出的構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線形同的形式對疲勞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行回歸。

　　3實(shí)橋驗(yàn)算

　　根據(jù)實(shí)橋狀況，采用通用有限元分析軟件ABAQUS建立了三官堂大橋橋面板的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的半幅橋面板有限元模型，模型平面尺寸18950mm*33000mm，在模型中主桁下弦桿與腹桿交界處施加三向鉸支邊界條件，在道路中心線側(cè)施加對稱邊界條件。

　　4結(jié)論

　　現(xiàn)有的技術(shù)和施工條件下，U肋對接接頭處易出現(xiàn)襯墊板襯墊板在焊接過程中受熱變形，導(dǎo)致U肋弧形段襯墊板與母材不密貼的情況。U肋焊接接頭發(fā)生疲勞破壞的主要原因在于與母材間不密貼，兩者分離處焊縫成型不良，在焊根處形成焊接缺陷，上述焊接缺陷成為疲勞裂紋源，是U肋焊接接頭破壞的直接誘因。雖然手孔的開設(shè)造成了U肋截面的削弱，但在不對手孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的情況下，栓焊接頭的靜強(qiáng)度不低于焊接接頭，且栓焊接頭疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于栓接接頭。栓焊接頭的200萬次加載壽命加載荷載約比焊接接頭高61.5%。

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