悬索桥钢桁加劲梁栓焊节点疲劳试验研究

李小刚，姚永丁，韦 华，李 毅

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014）

1 概述

山区大跨度桥梁建设中，钢桁加劲梁因其运输、施工的优势而广泛应用，如四渡河大桥、矮寨大桥、坝陵河大桥、菜园坝长江大桥等。这些钢桁梁均采用整体节点，而整体节点的栓接、焊缝等关键部位疲劳往往控制结构设计。国内外虽进行了多次钢梁焊接整体节点疲劳试验研究[1-5]，但由于材料、焊接工艺、连接形式、构造细节的不同，其研究成果只能提供参考，针对具体设计，只能通过整体节点疲劳试验，确定其疲劳性能，为桥梁设计提供参考依据。

某西部山区跨江桥梁，主桥采用主跨730 m的简支钢桁加劲梁悬索桥，桥梁全长914.1 m，桥宽20 m。

大桥主梁采用华伦式钢桁加劲梁，加劲钢桁梁由主桁架、上下平联、横向桁架组成，主桁高5.0 m，桁宽17.5 m，小节间长度5.0 m，一个标准节段长度10.0 m，在每小节处均设横向桁架，如图1所示。该桥钢桁加劲梁主桁架上弦杆与主横桁架之间的连接采用新型焊接小整体节点方案，如图2所示。钢桁架各杆件均为工厂组焊件，为减少钢桁梁杆件的现场拼装连接，将弦杆连同一个或两个节点在工厂焊接成整体，现场用高强螺栓连接成桁架。

该桥钢桁加劲梁主桁架上弦杆之间连接的栓焊节点构造复杂，为深入了解该栓焊整体节点的静力性能和疲劳可靠性，为设计和施工提供依据，确保结构安全，对该节点进行疲劳性能试验分析是非常必要的。

图1 主桁架结构图(单位：mm)

图2 上弦杆主桁节点构造图

2 疲劳荷载谱的确定

2.1 标准疲劳车的选取

我国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）[6]中针对桥梁疲劳设计的车辆荷载没有明确的规定，仅指出：进行疲劳强度验算时，可根据桥梁的实际行车情况，选用实际经常发生的荷载组合中的车辆荷载进行计算。

相关研究表明，只有较重的车辆过桥才会引起桥梁构件的疲劳损伤，而小型车辆则不引起疲劳问题，如英国规范[7]BS5400认为总重在30 kN以上的车辆才产生疲劳影响，欧洲规范[8]Eurocode 1则认为轴重在100 kN以上时才产生疲劳影响。美国规范[9]ASSHTO中规定：桥梁车辆中产生疲劳的荷载采用车辆荷载，全桥布置一辆三轴设计货车，总重325 kN，按最不利位置加载，由此产生的计算部位的应力幅△s作为计算疲劳积累损伤的依据。

英国规范[7]BS5400中的标准疲劳车辆是一辆重320 kN的四轴车，如图3所示。根据我国湛江海湾大桥、苏通长江大桥、贵州坝陵河大桥等的设计交通流量，通过对各种车型所占比例的分析，按等效的疲劳损伤原理，由等效轴重公式得到的等效标准疲劳车辆的总重在320 kN左右，与BS5400接近。所以，本研究中桥梁整体节点疲劳荷载的标准车辆采用英国规范[7]BS5400进行取值。

图3 BS5图图0中标准疲劳车的轴重布置（单位：c m）

通过全桥空间有限元计算，确定主桁架弦杆轴力幅值最大的钢桁加劲梁节点进行疲劳试验。求出的一辆BS 5400标准疲劳车作用在不同车道下的节点主桁架轴力幅值，如表1所示。

表1 一辆BS5表表0标准疲劳车作用在不同车道的主桁架轴力幅值（单位：k N，正号为压）

2.2 疲劳内力谱

在正常运营中，超过标准疲劳车作用的车辆只占全部通行车辆的一小部分。按美国规范[9]只占10%～20%（不同的公路类别不一样），而按英国规范[7]BS5400则占20%～25%。参考国外的规范和研究成果，考虑到我国公路中大型货车所占比例较高，而且超载现象比较普遍，本研究中对能引起疲劳损伤的车辆数按总交通量的30%进行计算。

偏于安全考虑，按我国《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）[10]中规定的交通量计算，该桥（双向4车道，时速60 km/h）能适应将各种汽车折合成小客车的年平均最大日交通量为15000 pcu。由上面分析，能引起疲劳损伤的车辆数占总交通量的30%，故每日单向货车交通量为：

按照英国规范[7]BS5400规定，对于双向4车道汽车专用线慢车道与临车道的交通量按比值1.5∶1分配。由此可得在设计寿命100 a内，各车道通过的车辆数为：

主车道：nl=n4=2250×365×100×1.5/2.5=49275000（pcu）

超车道：n2=n3=2250×365×100×1.0/2.5=32850000（pcu）

根据模型试验研究周期的要求，疲劳试验一般都控制在几百万次以内，故根据疲劳损伤等效原则适当提高荷载幅值，从而减少循环次数。根据各车道产生的荷载幅值和相应的作用次数及BS5400关于冲击效应和多车效应，由疲劳损伤累积理论，可把整体计算的内力幅值等效成循环次数为200万次时的内力幅值，计算结果为：

式中：△Pupper为循环次数;n0为200万次时主桁架弦杆的等效轴力幅分别为一辆BS 5400标准疲劳车作用在不同车道所引起的主桁架弦杆轴力幅及在设计寿命期内的相应作用次数；KF为多车效应调整系数，这里桥跨L=730 m，大于200 m，KB=P2/Pl=396.4/430.8=0.92，查表可得 KF=2.93；m 为S-N曲线斜率的负倒数，取m=3。

同理可得，循环次数n0为200万次时斜腹杆的等效轴力幅△Pupper=1546 kN。

3 疲劳试验模型

3.1 加载设备

参照大多数桁架整体节点的疲劳试验方法，综合考虑到节点模型制作的力学边界条件、尺寸效应、加载条件、局部应力效应以及实验室条件等各种因素的影响，决定本次试验采用桁架加载。加载设备为MTS伺服加载系统为MTS 1000 kN，加载频率最高为5 Hz。模型整体装置及加载示意如图4所示。

图4 加载示意图

3.2 模型相似比的确定

由上面疲劳试验荷载的确定可以知道，对桥梁的实际整体节点尺寸进行疲劳试验时，即足尺试验时，循环次数n0为200万次时主桁架弦杆的等效轴力幅为2598 kN，这需要较大的加载设备，且构件所需的试验场地也很大，试验室一般都很难满足这两个要求，通常的做法是将试验构件进行一定比例的缩尺，通过减小试验构件尺寸来降低所需加载力的大小。

根据实验室条件，进行试验的MTS伺服加载系统最大加载为1000 kN，加载频率最高为5 Hz。由于加载越大，MTS伺服加载系统能提供的出力频率越小，综合考虑到加载设备实际加载能力和试验周期要求，取实际加载为480 kN，加载频率为2 Hz，即加载200万次所需时间为11.5 d。

考虑节点是通过桁架加载，当MTS加载480 kN时，施加到弦杆上的轴力为720 kN，据此可以得到试验节点的尺寸长度相似比：

桁架由上、下弦杆，腹杆，节点板几部分构件组成，材料全部为钢，考虑到模型试验相似比1︰1.9之后，实桥与模型材料对照列于表2。实桥与模型钢结构屈服强度和弹性模量一致。

表2 实桥与试验模型材料对照

模型试验的方法是以相似原理为依据，按相似原理进行模型设计。按相似准则可得到模型各物理量理论相似比，结果列于表3中，模型制作和加载布置按此表进行设计。

表3 模型各物理量理论相似比

按照模型试验相似比制作的桁架模型及整体节点模型尺寸如图5、图6所示，模型中采用8.8S级M14螺栓。

图5 试验加载模型图（单位：mm）

图6 缩尺整体节点图（单位：mm）

3.3 加载方案

根据试验模型及加载力，制定加载方案如下。

（1）疲劳试验荷载采用MTS 1000试验机加载，疲劳荷载为常幅正弦波，加载频率 2 Hz，试验的终极循环次数为加至模型疲劳破坏或荷载循环200万次。

（2）在试件跨中施加480 kN的竖向荷载幅，使模型上弦杆的轴力幅达到720 kN。实际加载时，加载下限为50 kN，加载上限为530 kN。

（3）加载试验前，先对模型反复加卸载3次，以消除非线性等影响。

（4）疲劳试验前(0次应力循环)，施加静力荷载480 kN，对试验模型的应力进行测试。

（5）试验过程中，前期约每隔30万次，即30万次、60万次、90万次、120万次，后期约每隔20万次，即 140万次、160次、180次、200万次，停机一次，进行静力试验，静力荷载480 kN，对试验模型中最不利受力部位的应力场、应力范围和最大应力进行测试。

（6）一旦发现裂纹，停机测量应力一次，并根据情况调整停机静力试验的频次，而后采用裂纹扩展计观测裂纹随疲劳加载次数的扩展情况，如果需要，采取必要的止裂措施。

3.4 测试方案

试验主要对整体节点的应变进行测试，根据有限元分析结果及实际构造特点，对试验模型中最不利受力部位的应力场、应力范围和最大应力进行测试。应力测点主要布置在：（1）弦杆焊缝两侧；（2）几何突变或焊接构造复杂区域；（3）高应力区域；（4）节点板区域和高强度螺栓拼接端；（5）其它重要而又有代表性的部位。图7为实验应变测试点布置。其中：外侧节点板应变片81片以字母W开头，内侧106片以字母N表示，对照节点板44片以字母L表示，腹板6片以字母H表示，共计237片。

图7 节点内侧应变测点布置（单位：mm）

4 试验结果分析

4.1 静力计算分析

计算根据设计图纸采用大型通用有限元程序ANSYS建立计算模型，模型按照实际结构尺寸进行建模，为避免圣维南效应的影响，所有杆件长度均大于截面长边尺寸的2倍以上。整个有限元模型共8122个节点，7926个单元，如图8所示。

图8 节点有限元分析模型

为验证有限元边界条件的正确性，将试验疲劳0次循环下的480 kN静载作用下的试验结果与有限元计算作对比分析，有限元模型中只激活主桁平面内部分。图9和图10为有限元计算结果，可以看出，除去加载端局部效应外，节点绝大部分区域的应力均小于100 MPa，满足受力要求，只在整体节点板的上、下圆弧过渡段出现200 MPa左右的集中应力，建议采取措施降低此处的集中应力。

表4为节点部分关键点的实测应力与计算结果的比较。可以看出，计算结果与试验结果数值接近，应力分布与试验结果一致，可以认为采取的边界条件及试验方案符合实际结构的受力特点。

表4 对比模型有限元计算结果与试验结果比较（一）（单位：MP a）

4.2 疲劳试验结果分析

经过对桁架试加载和调试，疲劳试验于2010年12月7日正式开始，2010年12月23日结束，历时16 d。在应力循环分别为0次、30.24万次、60.48万次、92.88万次、123.84万次、144.00万次、164.16万次、184.32万次和200.16万次停机后，在480 kN静力荷载下模型全部237个测点的应力进行测试、对比，并对模型的变形进行测量。

图11为部分关键点应力的变化对比情况。可以看出，在试验荷载作用下测点的应力随循环次数总体变化不大，说明结构在200万次试验荷载作用下仍具有良好的疲劳性能。

本次试验采用的疲劳荷载、试验模型为按照等效原理、相似原理进行换算和模拟后的结果，存在一定的误差，但应力的分布规律、试验数据基本上可以反映试件的工作状态，试验结果可以从一定程度上反映结构的实际抗疲劳性能。

4.3 疲劳强度安全评价

试验结果表明，在整个疲劳加载200万次的过程中，模型上各测点的应力值波动范围很小，具有良好的重复性，结构各部分的应力状态稳定，没有发生因局部开裂、损伤而引起应力显著变化的现象，在模型结构表面上没有观察到任何宏观裂纹，说明没有疲劳裂纹萌生或扩展。

图11 关键点应力变化

对模型加载标准疲劳车作用下的桁架轴力，所有测点的应力均在40MPa以内，低于按照我国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）[6]规定的各种构造细部的疲劳容许应力。

此外，疲劳试验机在整个试验过程中，行程和加载吨位的变化很小，没有迹象显示试验过程中模型的刚度发生了变化。

5 结论

本研究对悬索桥钢桁加劲梁主桁架上弦杆整体节点进行了静力性能分析和1︰1.9的缩尺模型疲劳试验。根据静力计算及疲劳试验结果，可得出以下结论。

（1）根据该桥的交通状况与试验设备、场地等条件，由疲劳损伤累积理论确定了试验模型相似比，制定出疲劳荷载取值及加载方案。

（2）节点的静力分析表明，在试验荷载下，节点的绝大部分区域的应力均小于100 MPa，满足受力要求，但整体节点板的上、下圆弧过渡段出现200 MPa左右的集中应力，建议采取措施降低此处的集中应力。

（3）节点疲劳试验结果表明，在整个疲劳加载200万次的过程中，模型上各测点的应力状态稳定，没有发生因局部开裂、损伤而引起应力显著变化的现象，在模型结构表面上也未观察到任何疲劳裂纹萌生或扩展。

（4）在标准疲劳车辆荷载作用下，节点各测点应力水平较低，满足《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）[6]规定的各种构造细部的疲劳容许应力要求。

（5）该桥主桁架采用的整体节点构造细节在结构使用寿命期间及正常养护维修情况下，不会发生疲劳开裂，能够满足设计要求，且有一定的安全储备。

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