道路应急抢通车辙式箱梁桥疲劳性能试验研究

冀 超

(中交四公局第六工程有限公司，天津 301700)

1 车辙式箱式模块介绍

自然灾害的频发常引起交通中断、人员伤亡。为快速恢复交通，国内外开发了一些道路、桥梁应急抢通装备，这些抢通装备通常具有通载能力强、有一定的装配性能的特点，在自然灾害发生后可以发挥一定的作用；然而这类设备往往自重较大，架设难度高，机动性较差，需要在重量和机动性上改进[1-3]。

一般情况下，第一波次通往灾区的往往是物资运输车辆、救援装备，荷载等级较低，因此设计了一种道路桥梁应急抢通箱式模块[4-6](如图1所示)，它的特点是轻质高强，具备很强的装配互换性。通过连接器，模块可以快速拼组如图2所示的车辙式箱梁桥。应急抢通桥梁与军桥在设计原则和理念上均基本相同，使用的结构形式也基本相同，以简支为主，因此相关设计主要参照军桥相关设计规程。

图1 箱式模块单箱总体结构 图2 20m车辙式箱梁桥架设示意

车辙式箱梁桥主体采用铝合金材料，作为一种新型结构桥梁，与传统钢结构桥梁相比其静动力特性存在较大差异。由于铝合金材料与钢相比，密度与弹性模量差别大，车辙式箱梁桥设计荷载大、结构自重轻，其动力特性与传统钢桥必然存在一定差别。因此有必要针对车辙式箱梁桥结构，解析在不同试验阶段的疲劳性能和工作状态，以验证结构性能是否满足设计要求。

2 疲劳试验设计

试验件为两个足尺寸铝合金箱室构件，箱室间通过节点连接。为便于区分，将其编号为3、4号箱。试验件如图3所示，单箱加载过程如图4所示。

图3 试验件实物 图4 加载过程

2.1 荷载试验谱

箱式模块拼组车辙式箱梁桥作为应急保障器材，单跨长度为20 m，根据《军用桥梁设计载荷》(GJB435—88)中规定，对应的车辆荷载等级为LT-15，在此荷载等级下车辆荷载为两轴，轴距为4 m，单侧前后轴重分别为25 kN、50 kN。由于单个箱式模块长度为2 m，在实际应用中不存在前轮与后轮同时作用在同一个箱式模块上的情况，所以箱式模块局部最大压力为50 kN，考虑一定的富余量，将最大试验荷载放宽至75 kN和100 kN。

在应用中，疲劳荷载作用对象所受的是一种随机的反复荷载，通常室内模拟试验可选用常幅谱、块谱或随机谱进行模拟。本试验选用同一常幅谱进行试验。

2.2 试验工况

疲劳试验加载方式采用应力控制模式，波形采用正弦波加载，常幅谱如图5所示。试验采用两种荷载谱，可定义为两种工况。

工况一：取Smax为75 kN，Smin为7.5 kN，Sa为33.75 kN，平均荷载为41.25 kN，应力比为0.1。考虑实际循环次数与工作量情况，工况一条件下将分别在0-32万次循环期间每隔2 500次进行采集。选取0-1万次、1万次-2万次、2万次-4万次、......30万次-32万次等阶段第一个加载/卸载循环进行示例分析，可作为数据分析一般流程参考。

工况二：取Smax为100 kN，Smin为10 kN，Sa为45 kN，平均荷载为55 kN，应力比为0.1。

模型的荷载采用LT-15荷载的单侧轴载进行模拟。后轴轴载50 kN按照单箱模型分析得到的最不利加载位置(如图6所示)布置在壳单元模拟的单箱正中，以均布荷载的形式布置。箱式模块下部四角点支撑。在0-32万次循环期间每隔2 500次进行采集。同理，须对各部分数据进行筛析，选取各阶段第一个加载/卸载循环进行示例分析。

图5 常幅谱 图6 模型加载位置

2.3 试验测试内容

依据疲劳试验设计方案要求，疲劳数据测试与采集共划分为两个部分，即液压伺服静力采集和疲劳滞回曲线实时捕捉。

(1)静载试验采集：当疲劳加载次数达到1万、2万、4万……32万次时，进行静载试验。静载试验的荷载等级按10%Smax分级，为了便于作动器精确控制荷载，本试验统一取初始压力为2 kN的状态为荷载零点，逐级加载至Smax。

静载时将所有应变测点、位移计测点接东华测试DH3816型静态应变测试系统，人工采集和记录试验所需参数。此时，所测数值即为试验件测点处的实际应变或位移，是一种直接测量方式，数据较为准确，但只能采集特定荷载分级下的数据。液压伺服静力采集数据为静载试验测试时FTS疲劳试验作动器的实时荷载-位移数据，其可作为DH3816位移测试结果的补充数据，以进一步加强疲劳刚度退化数据模拟精确度。

(2)疲劳滞回曲线实时捕捉：疲劳循环过程中实时采集试验件加载/卸载荷载-位移，即力循环往复作用下获取结构荷载-变形曲线，表征研究对象在疲劳加载时的变形、刚度衰减等信息。

2.4 试验过程

每停机进行静载试验时，均进行了静态应变仪、作动器数据采集，每两次静载试验之间间隔一定次数进行疲劳滞回曲线实时采集。本试验共进行了32万次疲劳循环。

3 试验结果及分析

3.1 疲劳滞回曲线

工况一条件下，考虑数据量基数较大，本报告仅就典型情况进行示例解析，选取500次、80 000次、240 000次作为处理对象。取采集的试验数据，筛析后择取完整的加载/卸载循环，处理后的部分滞回曲线如图7所示。

图7 工况一滞回曲线

工况二条件下，由于数据量基数较大，仅就典型情况进行示例解析，此处取2 500次、40 000次及80 000次进行分析。取采集的试验数据，筛析后择取完整的加载/卸载循环，处理后的部分滞回曲线如图8所示。

图8 工况二滞回曲线

可以看出，不同加载次数的滞回曲线，均较为饱满，呈现“梭形”，这说明构件的塑性变形能力较强，具有很好的抗震性能和耗能能力。

3.2 静载试验

3.2.1 箱室外壁应变测量

箱室每侧布置3个测区，分别位于箱室两端、箱室中间，每个测区均包括箱室外壁上侧测点和下侧测点。测点处经过打磨去除表面油漆，粘贴航空用高精度电阻式应变片，将应变片接入静态应变仪进行结构应变测试，测点布置及测点编号如图9所示(图中3-1表示箱室外壁上侧测点，3-4表示箱室外壁下侧测点)，共24个应变片。部分测点如图10所示。

图9 箱室外壁应变测点布置

图10 试验区内侧插销处箱室外壁下侧测点

限于篇幅，只列出工况二3号箱外壁部分具有代表性的测点数据(32万次)，见表1。

表1 箱室外壁应变

由测量数据可知，箱室外壁测点中对应的最大拉、压应变分别是65、-186，箱板材料为6061-T6铝合金，弹性模量E=72 GPa，泊松比为0.33，许用应力为f0.2=245 MPa，计算可得，最大拉应力为4.68 MPa，最大压应力为13.392 MPa，远低于材料强度值，因此在32万次疲劳加载作用下，箱室外壁满足强度要求，不会发生破坏。

3.2.2 箱室间插销应变测量

每个节点包含两组插销，每组插销由3片叉耳组成，在每个插销的每片叉耳上侧粘贴应变片。应变片测点布置、节点插销如图11所示，共布置18个测点。

图11 箱室间插销应变测点布置

测点选取说明：插销采用了高强钢，因此关注耳部破坏。箱式模块采用的耳板选材、厚度、尺寸均经过力学验算，最不利处在孔壁内侧，且孔壁内侧承压强度与其他部位的承压强度相差很小，近似相等[6]。但就数据采集而言，内壁粘贴应变片及数据收集较为困难，因此将测点选择在耳片部位。

限于篇幅，只列出工况二3号箱单双耳部分具有代表性的测点数据(32万次)，见表2。

由测量数据可知，耳部测点中对应的最大拉、压应变分别是183、209，耳板材料为16Mn，弹性模量E=210 GPa，泊松比为0.30。厚度大于16 mm时，许用应力取[σ]=258 MPa。计算可得，最大拉应力为38.43 MPa，最大压应力为-43.89 MPa，远低于材料破坏应力，因此在32万次疲劳荷载作用下，耳部强度满足使用要求。

箱式模块桥主要用于应急抢通和临时性交通保障，因此对通行次数没有严格要求，参考军桥设计规范，达到5万次可以满足使用要求。而在本试验的两种工况下，作用到32万次仍未发现异常情况，试验件没有出现明显的结构变形和位移等疲劳损伤，满足设计预期。

4 结束语

试验表明，不同加载次数的滞回曲线线形饱满，呈梭形，表明箱式模块的塑性变形能力较强。32万次的疲劳加载仍具有良好的工作状态，模块没有出现明显的结构变形和位移等疲劳损伤，表明箱式模块的材料和结构的疲劳性能良好，具有用于道路应急抢通的可行性。