不锈钢复合桥面连接疲劳性能试验研究

刘晓光，陶晓燕

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

金属材料在长期应用过程中会出现锈蚀现象，危害十分严重，全世界每年因锈蚀报废的钢铁设备相当于年产量的30%，我国每年因锈蚀造成的经济损失至少达200亿元。对于钢结构桥梁来说，腐蚀和疲劳是其服役期间产生病害损伤的主要原因。为了保证钢桥的安全使用，不受腐蚀破坏，数十年来一直采用涂料予以保护。钢桥的锈蚀不仅给结构带来损害，而且给工务部门增加了繁重的管理和维修负担，周期性的再涂装也耗费了大量的人力和物力。在铁路运输日益繁忙的情况下，按照传统思路进行涂装处理的维护措施已经远远不能满足桥面耐久性的要求。钢桥面板的防腐已成为超大跨度桥梁亟待解决的问题。

不锈钢板具有很好的防锈性能和耐腐蚀性能，较高的强度使得其在变形时不易破裂。另外，不锈钢板具有较好的耐高低温等特性。因此，为解决桥面的锈蚀问题，研究人员提出采用不锈钢复合钢板。依据生产工艺，复合钢板可分为爆炸复合和热轧复合。爆炸复合是将不锈钢板重叠在碳钢基板上，利用爆炸时产生的高温高压将2种材料固相焊接。热轧复合是将基板和不锈钢板处于物理纯净状态，在高度真空条件下轧制而成。不锈钢复合钢板在我国压力容器、海水淡化设备等领域已经得到了广泛的应用，关于不锈钢复合钢板的机械性能、焊接性能等相关规范提出了具体要求[1-5]。

国内大型钢桥整体桥面主要采用正交异性钢桥面，并在桥面上设置混凝土道砟槽板。由于桥面直接承受列车荷载，且为施工、日常检修人员的基本工作平台，因此桥面极易出现疲劳破坏。对于不锈钢复合钢板连接的疲劳研究较少，因此本文主要针对不锈钢复合桥面的连接开展疲劳试验。

1 疲劳试件

根据大跨度钢桥桥面的构造细节，对不锈钢复合钢钢板在钢桥桥面上使用中普遍存在的3种构造细节进行疲劳试验，试件具体情况如下：

1)1号试件为不锈钢复合钢板与普通钢板的对接焊缝构造，以模拟不锈钢复合钢板与桥面边缘普通钢板部位的焊接构造，采用单面焊双面成型工艺，见图1。

图1 不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造

2)2号试件为不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造，以模拟(20+3)mm不锈钢复合钢板与(16+3)mm不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造，见图2。

图2 不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造

3)3号试件为不锈钢复合桥面侧边设置排水孔，以模拟排水孔水平伸入挡砟墙。试件设计时将挡砟墙横焊在试板上，在挡砟墙上开槽形成排水通道，焊接材料为不锈钢焊材，见图3。

图3 不锈钢复合桥面侧边设置排水孔

疲劳试件中普通钢板采用Q370qE，不锈钢复合钢板采用316L。

2 有限元分析

为研究试件应力分布情况，同时校对试验荷载，采用ANSYS 14.5空间有限元软件对试件进行了应力集中分析。计算模型的加载工况和试件尺寸与实际完全相同，且模型中未考虑焊缝的影响。计算采用Solid185号8节点六面体单元，在试件一侧夹头部位施加约束，在另一侧夹头部位施加单位1的均布荷载。

1)不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造

1号试件焊接时在碳钢基板侧对齐，在对接焊缝碳钢基板上衬陶质衬垫，采用单面焊双面成型工艺。1号试件应力集中系数见图4。可知，发生最大应力集中的部位在试件的对接焊缝处，应力集中系数为3.10。

图4 1号试件应力集中系数

2)不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造

2号试件焊接时在不锈钢复合钢板一侧对齐，在对接焊缝碳钢基板上衬陶质衬垫，采用单面焊双面成型工艺。2号试件应力集中系数见图5。可知，发生最大应力集中的部位在试件的对接焊缝处，应力集中系数为4.034。

图5 2号试件应力集中系数

3)不锈钢复合桥面侧边设置排水孔

3号试件焊接时先在挡砟槽板不锈钢复合钢层上开坡口，将挡砟槽板的不锈钢复合钢层与不锈钢复合钢板焊接，再将挡砟槽板的基板与不锈钢复合钢板焊接。3号试件应力集中系数见图6。可知，发生最大应力集中的部位在试件夹头部位的圆弧拐角处，为2.027;挡砟墙板与试件连接部位的应力集中系数也比较大，为1.760。

图6 3号试件应力集中系数

3 疲劳试验

疲劳试验在中国铁道科学研究院高速铁路桥梁工程重点试验室进行。疲劳试验机为 2 000 kN 液压伺服疲劳试验机，其最大拉、压力为±2 000 kN，活塞最大行程为±135 mm，试件最大跨度可达5 m，基础能够承受的最大弯矩为±600 kN·m。依据《铁路钢桥连接疲劳试验方法》(TB/T 2349—2016)[6]进行疲劳试验，见图7。

图7 疲劳试验

1)不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造

对5个爆破不锈钢复合钢板试件和9个热轧不锈钢复合钢板试件进行了疲劳试验，14个试件中有13个发生了疲劳断裂，所有疲劳断裂试件的破坏截面均在对接焊缝的焊趾部位，各试件的起裂部位均在碳钢基板侧。

将爆破不锈钢复合钢板试件的疲劳试验结果进行回归并拟合为曲线方程，如下

lgN=17.163 2-5.103lgσ

(1)

式中：N为疲劳循环次数；σ为疲劳应力幅。

相关系数γ=-0.908 1，均方差S=0.220 4，取97.7%保证率，减去2个标准差，则曲线方程为

lgN=16.722 4-5.103lgσ

(2)

将热轧不锈钢复合钢板试件的疲劳试验结果进行回归并拟合为曲线方程，如下

lgN= 16.407 6-4.834 2lgσ

(3)

相关系数γ=-0.933 4，均方差S=0.164 2，取97.7%保证率，减去2个标准差，则曲线方程为

lgN=16.079 2-4.834 2lgσ

(4)

式(1)—式(4)中200万次的疲劳应力幅分别为134.5，110.2，123.2，105.4 MPa。

1号试件疲劳试验结果见图8。可知，采用爆破复合或热轧复合对对接接头的疲劳性能影响很小，所以不锈钢复合钢板的加工形式对对接接头的影响可以忽略。根据该构造的疲劳破坏特征、疲劳试验结果和桥梁工程中一般疲劳设计曲线斜率的归类规律，给出1号试件疲劳曲线的推荐公式[7]，即

lgN=12.02-3.0lgσ

(5)

式(5)中200万次的疲劳应力幅为80.6 MPa，设计曲线参见图8。

图8 1号试件疲劳试验结果

2)不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造

由前述试验结论可知，不锈钢复合钢板加工形式对对接接头的影响可以忽略，所以针对不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造，全部采用热轧不锈钢复合钢板进行疲劳试验。一共进行了10个试件的疲劳试验，除1个试件未见裂纹外，其余9个试件均发生了疲劳破坏，破坏截面均在不等厚对接焊缝焊趾部位，各试件的起裂部位均在碳钢基板侧。

将不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造的疲劳试验结果进行回归并拟合为曲线方程，如下

lgN= 15.037 4-4.454 1lgσ

(6)

相关系数γ=-0.936 6，均方差S=0.202 45，取97.7%保证率，减去2个标准差，则曲线方程为

lgN=14.632 5-4.454 1lgσ

(7)

式(6)—式(7)中200万次的疲劳应力幅分别为91.5，74.2 MPa。

2号试件疲劳试验结果见图9，由此给出疲劳曲线的推荐公式，即

lgN=11.64-3.0lgσ

(8)

式(8)中200万次的疲劳应力幅为60.2 MPa，设计曲线参见图9。

图9 2号试件疲劳试验结果

3)不锈钢复合桥面侧边设置排水孔

对5个爆破不锈钢复合钢板试件和9个热轧不锈钢复合钢板试件进行疲劳试验。爆破不锈钢复合钢板试件和热轧不锈钢复合钢板试件疲劳裂纹的起裂部位均在模拟挡砟墙附连件的角焊缝焊趾部位，但热轧不锈钢复合钢板试件的起裂部位均在不锈钢层，爆破不锈钢复合钢板试件的起裂部位50%在不锈钢层，50%在碳钢基板侧。

将爆破不锈钢复合钢板试件的疲劳试验结果进行回归并拟合为曲线方程，如下

lgN=13.772 0-3.910 7lgσ

(9)

相关系数γ=-0.996 1，均方差S=0.041 6，取97.7%保证率，减去2个标准差，则曲线方程为

lgN=13.688 8-3.910 7lgσ

(10)

将热轧不锈钢复合钢板试件的疲劳试验结果进行回归后并拟合为曲线方程，如下

lgN= 14.418 4-4.058 1lgσ

(11)

相关系数γ=-0.762 6，均方差S=0.251 5，取97.7%保证率，减去2个标准差，则曲线方程为

lgN=13.915 4-4.058 1lgσ

(12)

式(9)—式(12)中200万次的疲劳应力幅分别为81.4，77.5，100.0，75.2 MPa。

3号试件疲劳试验结果见图10。可知，采用爆破复合或热轧复合对不锈钢复合钢板与挡砟槽板连接部位的疲劳性能影响较小，所以不锈钢复合钢板的加工形式对疲劳性能的影响可以忽略。根据该构造的疲劳破坏特征、疲劳试验结果和桥梁工程中一般疲劳设计曲线斜率的归类规律，给出3号试件疲劳曲线的推荐公式，即

lgN=11.64-3.0lgσ

(13)

式(13)中200万次的疲劳应力幅为60.2 MPa，设计曲线参见图10。

图10 3号试件疲劳试验结果

4 结论

1)不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造疲劳裂纹的起裂部位均在碳钢基板侧；不锈钢复合钢板的加工形式对对接接头的影响可以忽略。

2)不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造疲劳裂纹的起裂部位均在碳钢基板侧。

3)采用爆破复合和热轧复合对不锈钢复合钢板与挡砟槽板连接部位的疲劳性能影响较小。二者疲劳裂纹的起裂部位均在模拟挡砟墙附连件的角焊缝焊趾部位，但热轧不锈钢复合钢板试件的起裂部位均在不锈钢层，爆破不锈钢复合钢板试件的起裂部位50%在不锈钢层，50%在碳钢基板侧。

[1]王伟滨,刘桂双.不锈钢复合板过渡层的焊接[J].化工装备技术,2005,26(2):43-44.

[2]牟君,徐东明.复合不锈钢桥面板及焊接[J].煤矿机械,2004,16(3):86-88.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 16957—2012 复合钢板 焊接接头力学性能试验方法[S].北京:中国标准出版社，2013.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 8165—2008 不锈钢复合钢板和钢带[S].北京:中国标准出版社.2008.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 13140—2008 不锈钢复合钢板焊接技术要求[S].北京:中国标准出版社.2009.

[6]国家铁路局.TB/T 2349—2016 铁路钢桥连接疲劳试验方法[S].北京:中国铁道出版社,2016.

[7]国家铁路局.TB 10091—2017 铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2017.