加载波形对钢桥典型构造细节疲劳性能的影响

王 丽，张玉玲，张 雯，荣 峤，田 越

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

加载波形对钢桥典型构造细节疲劳性能的影响

王 丽1，2，张玉玲1，2，张 雯1，2，荣 峤1，2，田 越1，2

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

对既有铁路钢桥构造细节进行梳理分析，选择十字形焊接接头、盖板端焊缝、U肋纵向角焊缝等典型的构造细节，研究其在不同加载波形条件下的疲劳性能。首先，根据三种典型构造细节在实桥中的受力特征和实验室加载条件，设计能够反映实桥受力特征的试件，建立有限元模型，验证试件设计的合理性，掌握试件的应力分布状态和应力集中程度。然后，开展矩形波和正弦波加载条件下三种典型构造细节的疲劳试验。最后，对三种典型构造细节的疲劳试验结果进行分析，掌握了加载波形对于构造细节疲劳性能的影响程度，可为我国铁路钢桥的设计和评估提供依据。

钢桥 构造细节 疲劳性能 矩形波 正弦波

一般的疲劳试验机加载波形为正弦波。在桥梁工程领域，实际列车经过桥梁时所产生的荷载波形是不规则的，应力幅值也是随着车型和载重的变化而变化，对于钢桁梁的不同杆件其加载方式也不相同，并不能完全用正弦波来代替。基于此，选择实桥中典型构造细节，开展正弦波、矩形波加载条件下的疲劳试验，以掌握加载波形对构造细节疲劳性能的影响，为钢桥的设计和评估提供依据。

1 铁路钢桥典型构造细节分析

目前我国既有钢桥主要包括5种桥型:①上承式焊接板梁;②箱型钢板梁;③下承式栓焊钢板梁;④下承式栓焊钢桁梁;⑤铆接桥。所涉及的桥面系包括:①纵横梁明桥面系;②钢箱梁桥面;③正交异性钢桥面板。构造细节有7种:①不等厚对接焊构造;②盖板端焊缝构造;③纵向角焊缝构造;④十字形焊接接头构造(传力和不传力);⑤高强螺栓连接构造;⑥铆接构造;⑦正交异性钢桥面板构造。典型构造的疲劳强度见表1［1-2］。

从表1中可以看出，盖板端焊缝构造和十字形焊接接头构造的疲劳强度与其它构造相比偏低，在实际工程中出现裂纹也较多。此外，正交异性钢桥面板构造也是出现疲劳裂纹较多的构造之一。

表1 既有钢桥典型构造细节

2 典型构造细节疲劳试件的设计及受力特征分析

选择十字形焊接接头(不传力)构造、盖板端焊缝构造和正交异性钢桥面板构造，开展矩形波和正弦波加载条件下的疲劳性能试验研究。

2.1 试件设计

三种试件设计见图1，采用Q345qD钢板，制造工艺与实桥相同，采用CO2气体保护焊。

2.2 受力特征分析

为了掌握试件的应力分布状况，采用ANSYS建立有限元模型，选择Solid95三维20节点实体单元，单元

尺寸控制在2.5 mm左右。计算时，三种试件施加的外力均为拉力，十字形焊接接头、盖板端焊缝试件、U肋纵向角焊缝试件拉力分别为200，150，40 kN。试件具体约束、单元划分和应力分布情况见图2—图4。

图1 试件(单位:mm)

从图2(b)可以看出，十字形焊接接头试件角焊缝附近区域应力最大为274.9 MPa，发生在附连件与主板焊缝焊趾处，该处名义应力为178.6 MPa，应力集中系数为1.540。从图3(b)可以看出，试件从夹持部位向焊趾部位应力逐渐增大，到焊趾端部达到最大，为320.8 MPa，该处名义应力为178.6 MPa，应力集中系数为1.796。从图4(b)和图4(c)可以看出，U肋从底部焊趾处向顶部应力逐渐减小，到U肋顶部由拉应力转换为压应力，最大应力为280.6 MPa，发生在U肋焊趾处，该处平均应力为132.6 MPa，应力集中系数为2.116，面板在U肋内侧受弯，内表面受拉，外表面受

压，最大应力为162.7 MPa，发生在焊趾处。

图2 十字形焊接接头试件(单位:MPa)

图3 盖板端焊缝试件(单位:MPa)

图4 U肋纵向角焊缝试件(单位:MPa)

3 加载波形对构造细节疲劳性能的影响研究

3.1 疲劳试验基本情况

三种典型构造细节的疲劳试验，均在高速铁路轨道技术国家重点实验室的桥梁结构实验室内进行。其中，十字形焊接接头试件和盖板端焊缝试件均在±500 kN液压伺服疲劳试验机上进行，在保证达到最佳加载波形的前提下，将加载力斜向上升的时间尽量缩短，使其最大程度上接近于矩形波，疲劳试验最小控制吨位取5 kN，进行拉—拉循环加载，以试件发生疲劳断裂作为失效判据［3-5］，试验加载波形如图5所示。

图5 ±500 kN液压伺服机加载波形示意

U肋纵向角焊缝构造的疲劳试验在 ±200 kN液压伺服疲劳试验机上进行，为拉—压循环，应力比为－1，加载波形见图6。可以看出，±200 kN液压伺服疲劳试验机基本可以实现矩形波加载，但是在最大、最小值持续时间内会有小幅的波动。

图6 ±200 kN液压伺服机加载波形示意

3.2 疲劳试验结果

1)十字形焊接接头构造

对十字形焊接接头构造完成了5根试件的矩形波加载试验和5根试件的正弦波加载试验［6］，疲劳试件典型断口见图7。

图7 十字形焊接接头构造疲劳试件典型断口

通过对试验数据进行拟合分析，得到了矩形波加载条件下十字形焊接接头构造疲劳试验的S－N曲线方程为

式中:N为循环次数，Δσ为应力幅，σ0为试验得到的疲劳强度。

正弦波加载条件下十字形焊接接头构造疲劳试验的S－N曲线方程为

规范中规定十字形焊接接头构造疲劳试验S－N曲线方程为

试件疲劳试验数据及规范规定S－N曲线见图8。

图8 十字形焊接接头试件试验S－N曲线

2)盖板端焊缝构造

对盖板端焊缝构造共进行了6根试件的矩形波加载试验和5根试件的正弦波加载试验。疲劳试件典型断口见图9。

通过对试验数据进行拟合分析，得到了矩形波加载条件下盖板端焊缝构造的S－N曲线方程为

正弦波加载条件下盖板端焊缝构造的S－N曲线

图9 盖板端焊缝构造疲劳试件典型断口

方程为

规范中规定盖板端焊缝构造的S－N曲线方程为

试件疲劳试验数据及规范规定S－N曲线见图10。

图10 盖板端焊缝试件试验S－N曲线

3)U肋纵向角焊缝构造

对U肋纵向角焊缝构造共进行了3根试件的矩形波加载试验和4根试件的正弦波加载试验，试件典型断口照片见图11。

图11 U肋纵向角焊缝构造疲劳试件断口特征

通过对试验数据进行拟合分析，得到了矩形波加载条件下U肋纵向角焊缝构造疲劳试验的S－N曲线

方程为

正弦波加载条件下U肋纵向角焊缝构造疲劳试验的S－N曲线方程为

试件疲劳试验数据见图12。

图12 U肋纵向角焊缝试件试验S－N曲线

3.3 加载波形对构造细节疲劳性能的影响分析

从破坏特征、疲劳强度等方面对不同加载波形条件下构造细节的疲劳特点进行分析，发现:

1)加载波形对于试件破坏特征没有明显影响。十字形焊接接头试件均从角焊缝焊趾处有焊接缺陷的地方起裂，起裂之后沿着主板板宽和板厚方向扩展，直至发生疲劳破坏。盖板端焊缝试件均从盖板焊缝焊趾中部起裂，起裂之后沿着主板板宽和板厚方向扩展，直至发生疲劳破坏。U肋纵向角焊缝试件矩形波加载条件下均从U肋焊趾处发生断裂，正弦波加载条件下从U肋焊趾处断裂与从面板焊趾处断裂的概率相当。

2)从加载波形对于宏观断口特征的影响来看，在同样应力幅值下，矩形波加载条件下应力循环次数少，所以断口平滑区域一般大于正弦波加载。

3)从循环破坏次数来看，同一应力幅值作用下矩形波的次数小于正弦波的次数，不同构造两者的比值有所不同。

4)从200万次疲劳强度来看，矩形波加载试件的疲劳强度小于正弦波加载，二者的比值十字形焊接接头为0.737，盖板端焊缝构造为0.972，U肋纵向角焊缝为0.341。

5)十字形焊接接头试件矩形波加载的疲劳强度比规范值低约6%;盖板端焊缝试件的疲劳强度均大于规范值。当加载波形接近于矩形波时，十字形焊接接头构造采用规范值进行设计已无法满足疲劳强度安全性要求;盖板端焊缝构造采用规范值进行设计仍可

满足疲劳强度安全性要求。

4 结论

对十字形焊接接头(不传力)、盖板端焊缝和U肋纵向角焊缝三种构造，开展了矩形波和正弦波加载条件下的疲劳试验。结论如下:

1)矩形波作用下试件的200万次疲劳强度较正弦波有所降低，不同的构造降低的幅度并不相同。对本文所涉及的三种构造细节，矩形波的疲劳强度约为正弦波的0.341～0.972。

2)加载波形对于疲劳强度较高的构造细节的影响较大，在矩形波加载条件下疲劳强度大的构造细节疲劳强度降低幅度大，而疲劳强度相对较小的构造细节降低幅度相对较小。

3)在钢桥中直接承受轮载的构造或者个别其他构造出现缺陷导致局部刚度增大，使受力波形接近于矩形波时，应根据本次试验结果对疲劳强度进行折减，以保证其疲劳可靠性。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］ 铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［3］霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［4］张玉玲.大型铁路焊接钢桥疲劳断裂性能与安全设计［D］.北京:清华大学，2004.

［5］王丽，张玉玲.随机变幅疲劳荷载作用下钢桥节点板交叉焊缝疲劳性能试验研究［J］.铁道建筑，2013(11):1-4.

［6］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.新型主桁结构特殊构造抗疲劳性能与试验研究［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，2012.

Influence of loading waveform on fatigue behavior of typical structural details of steel bridge

WANG Li1，2，ZHANG Yuling1，2，ZHANG Wen1，2，RONG Qiao1，2，TIAN Yue1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

T he details of welds in the existing steel railway bridges were summaried.T hree typical welds including cross shaped weld，flat end weld and longitudinal fillet weld on U rib.T he fatigue behavior under different loading waveforms were stuied.First of all，test specimens were designed based on the stress status of the three welds in bridges and the loading conditions in laboratory.T he finite element model was established to validate the rationality of design and grasp the stress distribution and concentration.Next，the fatigue tests under the rectangular wave and sine wave loading condition were carried out on the three types of welds.Finally，the fatigue test results were analyzed，the loading waveform effects on fatigue behavior of three details were grasped.T he results may provide the basis for the design and evaluation of China's railway steel bridge.

Steel bridge;Structural detail;Fatigue behavior;Rectangular wave;Sine wave

U441+.4;U448.36

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.01

1003-1995(2015)09-0001-05

(责任审编 李付军)

2015-04-12;

:2015-05-12

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G001-A-1)

王丽(1981— )，女，山西宁武人，助理研究员，硕士。