大胜关长江大桥轻轨托架与整体节点连接疲劳及稳定性研究

王 霆,肖 林,岳奕町,李小珍

(1.南京地铁建设有限责任公司,南京 210017； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

相较于普通节点，整体节点刚度更大、现场拼装工作量小，近年来得到深入研究并在新建大跨度钢桥中广泛应用[1-6]。整体节点中存在大量焊缝，加之荷载较大、受力复杂，其疲劳性能受到广泛关注并进行了大量研究[7-13]。从既有研究成果看，整体节点中节点板与平联或横梁板件连接处是整体节点疲劳性能的薄弱环节，但因整体节点构造形式对其疲劳性能影响较大，不同桥梁中整体节点的疲劳性能仍有必要深入研究。

南京大胜关大桥承载两线沪蓉铁路、两线高速铁路。此外，两边桁的外侧各外挑5.2 m悬臂托架，支撑南京地铁轨道交通。轻轨托架采用高强螺栓与下弦节点引出板连接，节点引出板与下弦整体节点通过角焊缝连接(图1)。轻轨中心线距离节点中心线3.2 m，轻轨结构的自重、轻轨列车荷载引起的节点荷载较大。

图1 轻轨托架构造(单位：mm)

在列车活载作用下，南京大胜关大桥轨道交通托架上翼缘、上翼缘与节点连接角焊缝以及节点板的疲劳应力幅较大，其疲劳性能值得关注；此外，托架结构高腹板的稳定性也会影响行车安全[14-17]。现采用试验与分析相结合的方法，对轻轨托架与主桁节点连接构造的疲劳性能及稳定性进行研究。

1 疲劳试验

1.1 试验模型设计

实桥托架结构尺寸与荷载均较大，难以进行疲劳加载。考虑该结构疲劳薄弱环节为托架上翼缘受拉区域(图1虚线框内)，按照应力等效原则设计该节点上翼缘区域的缩尺试验模型。基于圣维南原理，试验模型包括：整体节点、节点引出板及托架横梁。根据实验室场地条件与加载能力，试验模型的缩尺比例取1∶2。焊接结构的疲劳性能主要取决于焊缝的细节，为保持各焊缝焊接细节与实桥一致，各板件厚度与实桥一致，而板件宽(高)取实桥的1/4。试验模型所用钢材、焊材以及焊接工艺均与实桥结构一致。试验模型构造见图2。

图2 试验模型构造(单位：mm)

试验加载时将模型倒置，整体节点部分通过螺杆锚固在地面，在托架横梁左端经连接柱与MTS作动器相连，通过MTS施加正弦疲劳荷载。试验加载布置如图3所示。

图3 试验模型加载

1.2 疲劳试验荷载

首先，通过全桥杆系有限元分析得到了轻轨托架与整体节点连接处的弯矩及剪力时间历程曲线，如图4所示。

图4 托架节点内力历程曲线

该轨道交通线路的设计寿命为100年，列车运营时间区段为每日早6:00～凌晨0:00，按远期运营情况保守处理取最小发车时间间隔为2 min，由此得到设计期内该结构的列车通过次数为1 971万次。结合设计期内列车通过次数，得到托架横梁与整体节点连接处的内力频值谱，其值如表1所示。

根据Miner线性损伤理论，将前面得到的内力频值谱中的变幅内力幅值ΔMi等效为常幅内力幅值ΔM0

(1)

式中，ΔM0为等效常幅循环内力幅；ΔMi为表1所示内力频值谱中的各水平内力幅值；Σni为与内力幅值ΔMi对应的设计期内内力幅循环作用次数；m为疲劳曲线S-N的斜率，参考Eurocode3[18]取m=3。通过式(1)将变幅内力幅值转换为200万循环作用次数下的等效常幅剪力为1 523.1 kN，等效常幅弯矩为4 744.9 kN·m。

表1 托架与整体节点连接处的内力频值谱

1.3 测点布置

在疲劳试验中，通过钢结构表面布置的电阻应变片对应力状态进行监测。应变测点布置如图5所示。图5中共分为A、B、C、D四个区，在A、B区测点布置应变花，C、D区测点布置单向应变片。

图5 应变测点布置(部分)

1.4 疲劳试验结果

通过不同疲劳加载次数试验结构的应力状态，可从微观上了解结构可能存在的疲劳损伤情况。图6、图7反映了部分测点在不同加载次数下的应力测试结果。由图6、图7可见，随着疲劳加载次数的增大，托架加腋板与节点板连接焊缝周边测点的荷载-应变曲线的斜率发生变化，测点应力发生重分布。应力分析结果表明，该区域是疲劳易损部位，应力重分布的原因可能是测点附近疲劳损伤，或疲劳应力幅叠加焊接残余应力后导致测点周边发生塑性变形。

图6 测点A12在不同荷载次数下的应变-荷载曲线

图7 测点A71在不同荷载次数下的应变-荷载曲线

在疲劳试验结束后，检查试验模型未发现宏观裂纹。在加载过程中，相同荷载下加载端的挠度稳定在4.14 mm左右，表明加载过程中结构刚度变化不大，可以预测在设计寿命期内该构造不会发生疲劳破坏。

疲劳试验中测得托架翼缘加腋板与节点连接角焊缝的焊脚外侧20 mm处(A43测点)的最大疲劳应力幅为76.28 MPa，有限元分析得到该点的正应力幅为80.8 MPa。此细节属于T形对接角焊缝，按照TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》[19]规定，其疲劳抗力为78 MPa，可见其疲劳抗力满足规范要求。

2 托架结构稳定性分析

托架采用焊接工字形截面，腹板高度为2.268 m且板件厚度较小，其稳定性需加以研究，对其在弯、剪耦合作用下的极限承载力进行了非线性有限元分析。

2.1 有限元模型

采用ABAQUS建立轻轨托架与节点的三维非线性有限元分析模型。建立的三维模型如图8(a)所示，有限元模型采用实体单元C3D8，共618845个单元。在有限元模型中对其边桁下弦杆及边桁架竖杆断面施加三个方向的平动位移约束，如图8(b)所示。

图8 有限元分析模型

2.2 稳定分析结果

结构的稳定问题可分为分支点失稳或极值点失稳，实际结构由于存在初始缺陷，其稳定问题属极值点失稳[20]。在分析中考虑材料非线性、结构非线性及初始缺陷，求解结构的极限承载力或稳定系数。分析荷载包括：自重+二恒(轨道板等自重)+轻轨纵梁自重+活载最大弯矩组合。

图9给出了结构的荷载比例系数曲线。由图9可知，曲线在LPF(荷载比例系数)=2.877时斜率几乎趋近于0，将发生极值点失稳。图9也反映了结构失稳过程中由弹性向塑性行为转变的过程。

图10给出了2.877倍分析荷载组合作用下，结构发生极值点失稳时的变形情况。由图10可见，托架腹板在荷载作用下发生较大外鼓变形，最大值达到51 mm，从而导致整个托架发生侧翻失稳。腹板的稳定性是结构的薄弱环节。由于失稳系数高达2.877，托架结构具有足够的稳定性。

图10 极值点失稳变形情况(单位：mm)

3 结论

针对在钢桁梁整体节点外悬挑托架承载轨道交通的新结构形式，采用疲劳试验及有限元分析对大胜关大桥轻轨托架与整体节点连接的疲劳性能及托架稳定性进行了研究，结论如下。

(1)在设计生命周期内，托架与整体节点连接构造不会发生疲劳开裂，疲劳荷载作用导致疲劳易损区域应力分布发生变化，但未危及结构安全，其疲劳寿命满足规范要求。

(2)托架腹板是结构失稳的薄弱环节，但在设计荷载下具有足够的稳定系数。