平滑度试验仪(钢桥面板U肋全熔透焊缝疲劳性能试验研究)

Posted 2023-05-25

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平滑度试验仪(钢桥面板U肋全熔透焊缝疲劳性能试验研究)

庞延波 靳泽中

上海振华重工(集团)股份有限公司

摘 要：详细介绍了正交异性钢桥面板常见疲劳裂纹的分布情况，并针对U肋与顶板角焊缝构造细节的疲劳裂纹形式进行分析总结。通过80%熔透和全熔透足尺模型的有限元对比分析，验证了单面焊双面成型焊接方案在理论上的可行性。同时，针对聚弧深熔单面焊双面成型方案和常规80%熔透焊接方案进行了疲劳对比试验。试验结果表明：相同应力幅(160 MPa)的情况下，U肋焊接接头全熔透单面焊双面成型方案的疲劳寿命要高于80%熔透的U肋焊接接头，其寿命提高33.7%。

关键词：正交异性钢桥面板;U肋;角焊缝;全熔透;焊接方案;疲劳试验;

1 概况

由于正交异性钢桥面板具有自重轻、极限承载力大、适用范围广、施工周期短和梁高小、造型美观等特点，常常作为目前大跨径钢桥桥面板的重要结构形式，受到了各国桥梁设计者的青睐，其应用已成为衡量整个国家钢桥设计和制造水平的标志。我国也大都采用正交异性钢桥面板作为已建和在建的大跨径钢桥面板结构形式，且不少面板在桥梁运营早期发现了不同程度的疲劳开裂现象[2]。这些疲劳开裂如未及时被发现，会严重影响桥梁的使用寿命。疲劳开裂问题大幅增加了正交异性钢桥的维护成本，严重的甚至有发生事故的危险，正交异性钢桥面板的耐久性问题已严重制约其进一步的发展应用，因此，提高正交异性钢桥面板的疲劳性能成为境内外桥梁工作者的研究热点。

正交异性钢桥面板疲劳开裂形式各异，对众多的正交异性钢桥面板疲劳裂纹进行汇总，如图1所示[1]。日本钢结构委员会在2007年对日本首都高速公路和阪神高速公路钢桥面板的裂纹位置进行过统计，发现纵肋对接接头部位①、纵肋与面板连接部位②、纵肋与横肋交叉部位③和⑦、主梁腹板竖向加劲肋与面板连接部位④出现疲劳裂纹的几率最大，分别占疲劳裂纹总数的3.6%、9.7%、6.3%、20.9%[1]。裂纹类型的构成比例如图2所示。

正交异性钢桥面板在直接承受轮载作用时，纵肋与面板之间会发生较大的面外变形。由于面板与纵肋的板厚相对较小，面外变形在纵肋与面板的连接焊缝处会引起较高的局部弯曲应力。焊缝频繁承受较大的弯曲拉应力，疲劳裂纹就会产生。图3为面板与U肋常见的裂纹[3]。日本钢结构委员会调查统计结果表明，顶板与U肋连接处的疲劳裂缝通常出现在焊根位置，沿顶板厚度或焊缝长度方向扩展，且该类型的裂缝占所有正交异性钢桥面板裂缝总数的18.9%。

图1 钢桥面板各种裂纹汇总示意 下载原图

图2 裂纹类型的构成比例 下载原图

图3 正交异性钢桥面板U肋角焊缝疲劳裂纹 下载原图

日本学者Inokuchi和Kainuma认为U肋与面板连接处的疲劳裂纹不易被观察到，但却会极大威胁交通安全。研究表明，顶板与U肋连接处的焊缝焊根位置存在很大的焊接残余应力，且该残余应力为拉应力。Kaczinski发现该部位的疲劳裂纹，Machida给出了该构造的4种开裂模式(如图4),分别为源于焊趾沿顶板扩展的裂纹、源于焊根沿顶板扩展的裂纹、源于焊趾沿加劲肋扩展的裂纹、源于焊根沿焊缝扩展的裂纹。当U肋腹板开制焊接坡口，焊缝具有一定的熔深，且焊接质量稳定时，裂纹3和裂纹4两种裂纹形态基本可以避免；焊趾裂纹l及焊根裂纹2是U肋角焊缝疲劳裂纹的主要形态，此类裂纹直接破坏桥面，危害性极大，应备受关注。

2 U肋全熔透焊接的可行性研究

针对正交异性钢桥面板U肋焊缝的结构和焊接特点，经过市场调研、深入分析和试验研究，认为目前可通过双面焊接和单面焊双面成型两种方式来提高该构造细节的疲劳寿命[3,4]。同时考虑到焊接成本和焊接效率，本文采用单面焊双面成型的全熔透焊接方案作为提高该构造细节疲劳寿命的的实现方法。

图4 正交异性钢桥面板U肋角焊缝疲劳裂纹 下载原图

2.1足尺有限模型的建立

为了验证单面焊双面成型全熔透方案的可靠性及确定试验件的尺寸，本文首先分别建立了80%熔透和全熔透双面成型的全尺寸有限元模型；再在相同位置的相邻两根U肋中间施加车轮载荷，对比分析U肋与顶板焊缝处构造细节的应力分布以验证单面焊双面成型方案的可行性；同时根据车轮载荷作用下正交异性钢桥面板结构的变形、应力分布情况来确定载荷的影响范围，进而确定疲劳试验的试验件的尺寸。建立的足尺模型包含4根U肋，横隔板间距3 200 mm, 如图5所示。其中顶板厚度16 mm, U肋尺寸为300 mm×280 mm×8 mm, U肋装配间隙0.5 mm, 角焊缝的尺寸根据需要进行必要的调整。

图5 足尺模型 下载原图

基于上述描述分别建立80%熔透和全熔透双面成型的大尺寸有限元模型，并采用分域网格划分技术(在主要关注划分较密的网格，在非重点区域划分较粗的网格二者之间采用平滑过度的方式实现转换)划分网格。整个模型全部采用8节点实体单元，每个节点3个自由度，模型单元数近173万。模型在底部设立固定约束，在顶部中间位置加载。车轮着地面积选用600 mm×200 mm, 单轮重70 kN,并考虑结构自重的影响。载荷位置示意图如图6所示[5],有限元模型如图7所示。

图6 载荷加载位置示意 下载原图

单位：mm

图7 有限元模型 下载原图

2.2热点应力法

根据国际焊接协会(IIW)建议的方法，采用两点线性外推的方法对热点应力进行求解，选择顶板上距离焊趾/根0.4 t和1.0 t 的位置的横向应力作为插值点的应力值。插值公式为：

式中：t为顶板板厚16 mm。

本文采用热点应力法，对计算结果的处理来对比两种模型的计算情况。分别对角焊缝4个位置(图8)的热点应力进行分析，重点关注焊缝在顶板焊趾和焊根处的裂纹(裂纹C.1和C.2)的应力水平。

图8 U肋焊缝裂纹产生情况 下载原图

2.3足尺模型有限元计算结果

在2.1节的载荷作用下结构的Von Mises应力分布如图9、图10所示，焊缝部位的Von Mises应力如图11所示，焊缝附近第一主应力的分布情况如图12所示。

图9 结构整体Misses应力-1 下载原图

图10 结构整体Misses应力-2 下载原图

由图9、图10可知，不同焊接方式对结构整体的应力状态影响不大，但在焊缝附近的局部应力状态差别明显(见图11),而局部应力状态是影响结构疲劳寿命的关键因素，局部的应力集中又往往会直接导致破坏裂纹的产生。由图12可以看出，在相同的载荷作用下，80%熔透模型与全熔透模型的应力集中程度高(尤其是在U肋内侧(C.2)),这个裂纹是当前载荷作用方式下裂纹经常发生的位置。由于这条裂纹在U肋内部，很难及时发现裂纹的萌生和发展，往往一旦发现就已出现贯穿顶板的裂纹。

图11 角焊缝附近Misses应力 下载原图

图12 角焊缝附近第一主应力的分布云图 下载原图

分析对比两个足尺模型计算的应力分布结果(图13),可以发现：(1)80%熔透情况下很容易在U肋内侧焊根处形成局部的应力集中，而应力集中是造成钢桥面板在该处疲劳破坏的关键因素，并且该处产生的裂纹不易被发现，维修的成本高；(2)采用全熔透焊接技术并有效地控制焊缝在U肋内部成型，可以明显改善该处应力集中的情况；(3)与80%熔透相比，全熔透焊缝在顶板内侧焊根部位(C.2)的热点应力值降低了21.2%,该处应力集中情况的改善将极大地降低U肋内部焊根向顶板方向裂纹的产生概率。

3 疲劳试验研究

考虑到焊接效率和焊接制造经济性，提出采用聚弧脉冲深熔焊焊机来实现U肋全熔透焊接的单面焊双面成型[4]。通过不断地优化焊接参数，最终实现了U肋角焊缝背部成型的稳定，焊后焊缝细节效果如图14所示。为了详细考察采用聚弧脉冲深熔焊焊机，实现U肋角焊缝全熔透单面焊双面成型技术及对其疲劳性能的影响，本文进行了一系列疲劳试验的研究。

图13 U肋全熔透焊缝与80%熔透焊缝处热点应力对比 下载原图

图14 U肋全熔透焊缝与80%熔透焊缝处热点应力对比 下载原图

3.1试验件

本次试验的主要内容是测定不同U肋焊接形式接头的疲劳性能，接头分为全熔透单面焊接接头和80%熔透单面焊接接头。每种接头采用1～2个试件进行接头试验，试件尺寸见表1,编号见表2。本次试验中为最大限度模拟结构在实际使用过程中的载荷和受力情况，所有试样测试前端面均打磨光滑。试验示意如图15所示，试验装置如图16所示。

3.2试验装置

根据试验要求，疲劳加载设备选用MTS 370疲劳试验机系统，如图17所示。其主要性能指标：轴向最大动静出力±100 kN;轴向作动缸位移±89 mm; 试验机精度0.5级；频率范围0.001～50 Hz。试验过程中应变采集系统如图18所示，选用动态应变仪的型号为DH3817。设备基本参数为0～2 kHz; 8通道。

表1 试件尺寸 导出到EXCEL

mm

表2 试件编号 导出到EXCEL

图15 试验示意 下载原图

图16 试验加载装置 下载原图

图17 MTS 370全数字闭环控制电液压伺服试验机系统 下载原图

图18 DH3817动态应变仪 下载原图

3.3加载方案研究

在试验前首先通过有限元分析确定载荷的大致范围及结构的受力特点。在加载区域施加合适的载荷模拟整个试验件的应力分布情况，如图19～图22所示[5]。从结果可知，在横向距离顶板焊趾16 mm(1.0 t)处的应力水平较高且比较平缓，但应力水平明显低于焊缝处。考虑到试验条件，选用该处应力作为控制应力较为合适。在试验中选取顶板控制应力幅为160 MPa。选取顶板上应力最高的位置作为顶板应力幅的控制点。将应力幅设定为160 MPa。加载过程中采用分级加载的方式，逐步将载荷调整至目标大小。然后以160 MPa的控制应力幅进行试验。应力控制点检测时程数据如图22所示。试验中采用动态应变采集仪，对应变片数据进行实时的监测。

3.4测点布置

试验应变片采用的是120 Ω电阻应变片，参考测试规范和有限元模拟结果布置测试点，在顶板上应变片布置在距离焊趾0.5 t和1.0 t的位置，在U肋上距离焊趾0.8 t的位置。结合相关研究文献，裂纹可能萌生于U肋内侧焊趾处，综合考虑实验条件，测试点布置在U肋的两侧，应变片分别贴在距离焊缝两侧8 mm、16 mm、6.4 mm处，具体布置初步方案如图23、图24所示。

图19 数值模拟横向应力分布情况 下载原图

图20 焊缝附近应力沿纵向分布 下载原图

图21 横断面上顶板名义应力分布 下载原图

图22 控制点名义应力时程曲线 下载原图

图23 测试过程中应变片布置 下载原图

图24 试验应变片布置 下载原图

3.5试验结果

试验过程中的应变片数据如图25所示。根据不同位置应变片的变化确定对应的疲劳寿命，如表3所示。从图中可以发现应变片受到温漂、外界环境以及应变片寿命的干扰等影响，应变片的数据波动很大，单一靠应变片数据确定试样疲劳寿命并不合适。试验过程的载荷位移峰谷值数据被采集下来，如图26所示。由于采用载荷控制，所以载荷恒定。位移变化前期稳定，最后失稳阶段变化很大。根据该特征也可以判断试验件的疲劳寿命。

图25 U100-1试件其中3个应变片的历史数据 下载原图

对采样点进行整个试验过程应变数据的采集，分析这些数据我们认为在检测点附近出现检测应力幅的明显下降，是由于在试验件出现裂纹发生应力的释放，进而将此时的加载次数作为其疲劳寿命。部分应变片确定的试验件疲劳寿命如表3所示。

表3 部分变片监测到的加载次数统计 导出到EXCEL

由图26可以看出，在实验过程中载荷峰谷值变化不明显，最大位移值变化很大，故可以采用最大位移变化情况同时结合应变数据作为失效判断标准。综上所述，考虑到安全和现实条件的限制，经过合理调整，主要采用载荷位移峰谷值检测来确定失效寿命，并将最大位移增大25%时对应的循环次数作为最终测试寿命。试验件断裂后的样貌，如图27所示。从图27中可以发现，试验件均是从U肋内部焊根处起始，裂向顶板的贯穿性开裂。选取开裂的另一侧做截面酸蚀，根据实测和焊接情况，最终所得合格试样测试的结果如表4所示。从表4中可以出，全熔透U肋焊接接头的寿命要高于80%熔透焊接接头，寿命提高33.7%。将试验结果按照欧标EN 1993 C90的S-N曲线，转换可以得到C90下疲劳极限[6]。

图26 实际加载端位移峰谷值数据 下载原图

图27 试验件断裂后的样貌 下载原图

表4 试验应力幅和循环次数汇总 导出到EXCEL

4 结语

(1)顶板与U肋连接处的疲劳裂缝通常出现在焊根位置，沿顶板厚度或焊缝长度方向扩展，且该类型的裂缝占所有正交异性钢桥面板裂缝总数的18.9%。

(2)焊趾裂纹l及焊根裂纹2是U肋角焊缝疲劳裂纹的主要形态，此类裂纹将直接破坏桥面，危害性大，返修困难。足尺有限元结果表明，80%熔透情况下很容易在U肋内侧焊根处形成局部的应力集中，这种应力集中现象是造成钢桥面板在该处发生疲劳破坏的关键因素。

(3)与80%熔透相比，全熔透焊缝在顶板内侧焊根部位(C.2)的热点应力值降低了21.2%,该处应力集中情况的改善将极大地降低U肋内部焊根向顶板方向裂纹产生的概率。这说明采用全熔透焊接技术并有效地控制焊缝在U肋内部成型，可以明显地改善该处应力集中的情况。

(4)考虑到焊接效率和焊接制造经济性，提出采用聚弧脉冲深熔焊焊机来实现U肋全熔透焊接的单面焊双面成型。

(5)分析疲劳试验件数值模拟结果发现：80%熔透情况下很容易在U肋内侧焊根处形成局部应力集中，而应力集中是造成钢桥面板在该处疲劳破坏的关键因素。

(6)相同应力幅(160 MPa)的情况下，U肋焊接接头全熔透方案的疲劳寿命要高于80%熔透的U肋焊接接头，寿命提高33.7%。

参考文献

[1] 曹志.正交异性钢桥面板构造细节的疲劳性能研究[D].西南交通大学，2015.

[2] 冯兵.公路正交异性钢桥面板构造细节的热点应力分析及疲劳研究[D].西南交通大学，2014.

[3] 马立芬，庞延波.钢桥梁U肋角焊缝全熔透焊接工艺[J].焊接技术，2017,46(6).

[4] 马立芬，杨春松.钢箱梁U 肋角焊缝全熔透焊接技术探究[J].科技资讯，2017,15(4):89-92.

[5] 凌立鹏，亮唐.钢桥面板顶板U肋焊接接头热点应力的精细有限元分析[J].公路交通科技，2018,35(4):58-66.

[6] European,Standard.EN 1993-1-9 Eurocode 3:Design of steel structures-Part 1-9:Fatigue[M].1993:14-5.

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