《揭秘悬索桥钢桁加劲梁栓焊节点疲劳试验研究[城市道桥与防洪]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《揭秘悬索桥钢桁加劲梁栓焊节点疲劳试验研究[城市道桥与防洪]（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 3 8 桥梁结构 城 市道桥 与防 洪 2 0 1 5 年 4 月第 4 期 劳问题 如英 国规范I B S 5 4 0 0认为总重在 3 0 k N以 上 的车辆 才产生 疲劳影 响 欧洲 规范 l E u r o c o d e 1 则认为轴重在 1 0 0 k N 以上时才产生疲劳影响 美 国规范l9 I A S S H T O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 3 2 5 k N 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m B S 5 4 0 0中的标准疲劳车辆是一辆重 3 2 0
2、k N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 3 2 0 k N左右 与 B S 5 4 0 0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l 7 J B S 5 4 0 0进行取值 图 3 B S 5 4 0 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 B S 5 4 0 0标准疲劳车作
3、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 B S 5 4 0 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 1 只 占 1 0 2 0 不同的公路类别不一样 而按英 国 规范f 7 l B S 5 4 0 0则 占 2 0 2 5 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 3 0 进行 计 算 偏于安全考
4、虑 按我国 公路工程技术标准 J T G B 0 1 2 0 0 3 I l o 1 中规定 的交通量计算 该桥 双 向 4车道 时速 6 0 k m 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 1 5 0 0 0 p c u 由 上 面分析 能引起疲劳损伤的车辆数 占总交通量 的 3 0 故每 日单 向货车交通量为 ADT T 0 5 X 1 5 0 0 0 X 0 3 2 2 5 0 p c u d 按 照英 国规范 l 7 B S 5 4 0 0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
5、 寿命 1 0 0 a内 各车 道通过的车辆数为 主车道 n l n 4 2 2 5 0 3 6 5 X 1 0 0 X 1 5 2 5 4 9 2 7 5 0 0 0 p c u 超车道 n 2 n 3 2 2 5 0 3 6 5 1 0 0 1 0 2 5 3 2 8 5 0 0 0 0 p c u 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 B S 5 4 0 0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
6、的内力幅值等效成循环次 数为 2 0 0 万次时的内力幅值 计算结果为 上 m f I 0 0 2 9 3 4 9 2 7 5 0 0 0 x 4 6 8 3 一 3 0 0 0 x 42 93 3 9 3 3 3 2 5 9 8 k N 式 中 为循环 次数 r t 为 2 0 0万 次时主桁架 弦杆的等效轴力幅 和 n 分别为一辆 B S 5 4 0 0 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 K 为多 车效应调整系数 这里桥跨 L 7 3 0 m 大 于 2 0 0 1T I K B 尸 l 3 9 6 4 4 3 0 8 0
7、9 2 查表 可得 K 2 9 3 m为 S N曲线斜率 的负倒数 取 m 3 同理可得 循环次数 为 2 0 0万次时斜腹杆 的等效轴力幅 1 5 4 6 k N 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 MT S伺服加载 系统为 MT S 1 0 0 0 k N 加 载频率最高为 5 H z 模 型整体装置及加载示意如 图 4所 示 2 0 1 5 年 4 月第 4期 城 市道桥 与
8、防洪 桥梁结构3 9 级 M1 4螺栓 部 约束 试件 厂 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 n 为 2 0 0万次时主桁架 弦杆 的 等效轴力幅为 2 5 9 8 k N 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 MT S伺 服加载 系统最大加载为 1 0 0 0
9、k N 加载频率最高为 5 H z 由于加载越 大 M T S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 4 8 0 k N 加载频率为 2 Hz 即加载 2 0 0万 次所需时间为 1 1 5 d 考虑节点是通过桁架加载 当 MT S 加载 4 8 0 k N 时 施加到 弦杆上 的轴力为 7 2 0 k N 据此可 以得到 试验节点 的尺寸长度 相似 比 C l 2 5 9 8 1 0 0 0 0 7 2 1 9 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
10、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 8 s 图 5 试 验加载 模型 图 单位 mm f 三 三 I 图 6 缩 尺 整 体 节 点 图 单 位 mm J 3 3 加载 方 案 根据试验模型及
11、加载力 制定加载方案如下 1 疲劳试验荷载采用 MT S l O 0 O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 2 0 0 万次 2 在试件跨中施加 4 8 0 k N的竖向荷载幅 使 模型上弦杆的轴力 幅达到 7 2 0 k N 实际加载时 加 载下 限为 5 0 k N 加载上限为 5 3 0 k N 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 O次应力循环 施加静力荷载 4 8 0 k N 对试验模 型的应力进行测试 5 试 验过 程 中 前期 约每 隔 3 0万 次 即 3 0
12、 万次 6 O万次 9 0万次 1 2 0万次 后期 约每隔 2 0 万次 即 1 4 0万次 1 6 0次 1 8 0次 2 0 0万 次 停机 一 次 进行静力试验 静力荷载 4 8 0 k N 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
13、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 2 0 1 5 年 4月第 4期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构4 1 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
14、疲劳试验于 2 0 1 0 年 l 2月 7日正式开始 2 0 1 0年 1 2月 2 3日结束 历 时 1 6 d 在应 力循 环分别 为 0次 3 O 2 4万次 6 O 4 8万 次 9 2 I 8 8万次 1 2 3 8 4万次 1 4 4 O 0万次 1 6 4 1 6万次 1 8 4 3 2万次和 2 0 0 1 6万次停机后 在 4 8 0 k N静力荷载下模型全部 2 3 7个测点 的应力进 行测试 对 比 并对模型的变形进行测量 图 1 1 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 2 0 0万次试验荷载 作
15、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 2 0 0万次的过 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 对 模 型加载标 准疲 劳车 作用下 的桁 架轴力
16、 1 1 量 1 1 曼 1 日 1 曼 w旦 一 Eo c3 o o 13 o o 占 I r 叨 可 可 酮 丽 古 硒 0 0 8 0 鱼b 0 4 0 倒 2 0 0 N 3 8 N 5 5 N 8 4 N 8 5 一 一 一 一 一 V L I j l I I l l 0 3 0 2 4 6 0 4 8 9 2 8 8 1 23 8 4 l 4 4 O 0 1 64 1 6 1 8 4 3 2 2 oo 循环次数 万次 L旦 一L 4 1 一 一 一 一 J 一一 一 一 一 一 一 一 l l l l l I l o 3 O 2 4 6 0 4 8 9 2 8 8 1 2 3 8 4 1 4 4 O 0 1 6 4 1 6 1 8 4 3 2 2 0 0 循环 次数 万 次 坚 里 0 3 0 2 4 6 0 4 8 9 2 8 8 1 2 3 8 4 1 4 4 0 0 l 6 4 1 6 1 8 4 3 2 2 0 0 循环 次数 万次 图 1 1 关键点应 力变化 所有测 点的应力均在 4 0 MP a以内 低 于按 照我 国 公 路 桥 涵 钢结 构 及 木 结 构
