钢桁梁悬索桥整体节点疲劳损伤演化分析.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 钢桁梁悬索桥整体节点疲劳损伤演化分析朱安东何雄君仵卫伟曾志远刘小武(武汉理工大学交通与物流工程学院武汉 )摘要:文中依托白洋长江大桥工程项目,针对该桥的疲劳最不利整体节点,通过疲劳试验获取其缩尺模型的疲劳寿命,并根据试验结果推导损伤演化方程结果表明:单个缩尺模型的疲劳试验结果为 万次循环,接近 万次循环的设计寿命,因此实桥整体节点的疲劳性能满足要求根据试验结果推导的损伤演化方程具有明显的三阶段特征,其持续时间分别占总寿命的、,产生的损伤分别为、与英国规范B S 计算的理论损伤度相比,具有更好的准确性和经济性关键词:悬索桥;钢桁梁;整体节点;疲劳损伤;疲劳寿命中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:朱安东(),男,硕士生,主要研究领域为桥梁结构耐久性设计与安全评估基金项目:湖北省交通运输厅科技项目()引言整体节点通过将节点板焊接形成整体节点,再通过整体节点连接其他构件整体节点技术在我国大跨度桥梁中的应用较晚,当前桥梁中的整体节点远未达到其疲劳寿命,疲劳荷载产生的影响没充分表现出来 但随着我国交通行业的发展,由服役环境、荷载条件,以及交通需求等诸多因素耦合影响,整体节点的疲劳问题显得十分突出广泛应用在大跨度桥梁中的整体节点构造复杂、应力水平较高,很多学者依靠相关规范对其疲劳性能进行了研究 然而大多数研究都以疲劳寿命满足设计要求而结束,并没有去分析整体节点从疲劳循环开始直至破坏全过程的损伤演化规律文中通过计算某长江大桥疲劳最不利 号整体节点中各杆件 万次等效应力幅,来确定疲劳载荷,设计并进行 缩尺模型疲劳试验,得到试验疲劳寿命和破坏位置附近测点的应变以应变的相对变化为损伤变量,推导出整体节点的损伤演化方程,并与规范计算的损伤度进行对比分析 确定疲劳载荷白洋长江大桥为主跨 m的单跨钢桁梁悬索桥,矢跨比为/,采用钢混组合梁桥面系,设计双向六车道,设计速度为 k m/h,设计基准期为 年文献 指出距离主塔 m的 节点为疲劳最不利整体节点,其位置见图图全桥有限元模型及 节点位置当标准疲劳车在最外侧(车道和)和次外侧车道(车道和)加载时,分别求出 节点各杆件的轴向应力影响线,并根据疲劳车的轴重、轴距分布,以及设计速度分别得到各杆件的应力历程例,最后通过雨流计数法统计应力幅值和循环次数,即为疲劳应力谱,见表表疲劳应力谱单元号杆件类型加载车道 应力幅/MP a一个历程循环次数 下弦杆(左)车道 车道 车道 车道 下弦杆(右)车道 车道 车道 车道 斜腹杆(左)车道 车道 车道 车道 斜腹杆(右)车道 车道 车道 车道 竖腹杆车道 车道 车道 车道 设计交通流量预测研究发现,白洋长江大桥 年内平均日交通量为 v e h/d,根据英国规范B S ,取总交通量的作为标准疲劳车的数量,并按 分配最外侧与次外侧车道的交通量,可计算出 年内的疲劳车数量分别为 万辆和 万辆基于疲劳应力谱和所求的疲劳车数量,根据英国规范B S 和M i n e r准则,由式()计算 节点各杆件 万次等效应力幅,见表(KFminin)m()式中:为等效应力幅;i为辆标准疲劳车作用下的应力幅;n为等效循环次数,取 万次;ni为各车道通过的疲劳车数量,慢车道 万辆,邻车道 万辆;KF为多车效应修正系数,按B S 规定,下弦杆、竖腹杆和斜腹杆分别取 ,;m为S N曲线斜率的负倒数,钢结构取为表 万次等效应力幅单元号杆件类型等效应力幅/MP a 下弦杆(左)下弦杆(右)斜腹杆(左)斜腹杆(右)竖腹杆 由表可知:斜腹杆的 万次等效应力幅最大,根据实桥和疲劳试验模型应力比为 的原则,以斜腹杆的应力幅为确定疲劳试验荷载的控制参数在制作条件、试验场地、加载设备等条件容许的前提下,为尽可能地模拟实桥的疲劳状况,根据相似理论,对最不利节点的主桁架节段做 的缩尺,各杆件缩尺后的截面尺寸见图图截面尺寸(单位:mm)用m i d a sC i v i l建立缩尺后的钢桁架梁单元模型,各杆件截面尺寸采用图,材料为Q q D,边界条件为简支约束,通过在上弦杆中间节点施加竖直向下的力来模拟加载情况,见图当加载值为 k N时,斜腹杆的最大轴向应力为 MP a,大于其 万次等效应力幅,满足要求故取 k N为疲劳试验加载幅值,加载上限定为 k N,下限定为 k N图缩尺模型的M i d a s模型(单位:MP a)疲劳试验 试验方案按 缩尺比例设计的疲劳试验模型总高 m,长 m,钢板厚mm,重 t 在整体节点处共布置 个测点,各杆件沿轴向共对称布置 个应变片,在倒角位置共布置个应变花疲劳试验模型的边界条件为两端简支,MT S电液伺服作动器在上弦杆顶部的中点进行竖直向下单点加载疲劳试验开始前对钢桁架模型进行预加载,消除构件间的空隙,确保各测点和仪器能正常工作疲劳荷载为正弦波荷载,加载下限为 k N,上限为 k N,频率为 H z 疲劳循环每万次后停机进行三次静力加载,每次静力加载从k N逐级加载至 k N后逐级卸载至k N,每级第期朱安东,等:钢桁梁悬索桥整体节点疲劳损伤演化分析荷载为 k N,待读数稳定后记录测点数据 试验现象从开始加载到试验结束,共发现处开裂部位疲劳加载次数为 万次时,裂缝出现在右斜腹杆翼缘拼接板的第排螺栓孔附近,见图 a);加载次数为 万次时,裂缝出现在边竖腹杆翼缘的第排螺栓孔附近,见图 b);加载次数为 万次时,裂缝出现在左斜腹杆翼缘拼接板的第排螺栓孔附近,见图 c);加载次数为 万次时,裂缝出现在右斜腹杆翼缘的第排 螺 栓 孔 附 近,见 图 d);加 载 次 数 为 万次时,裂缝出现在右斜腹杆腹板拼接板的第排 螺 栓 孔 附 近,见 图 e);加 载 次 数 为 万次时,裂缝继续发展并贯穿整个右斜腹杆截面,导致右斜腹杆发生疲劳破坏,试验因此结束,最终破坏位置见图 f)图疲劳试验现象 试验结果当荷载水平为疲劳加载上限 k N时,典型测点静力加载的应力结果见表,应力随加载次数的变化见图表部分测点试验应力单位:MP a测点万次万次 万次 万次 万次 万次P P P P P P P P P 竖腹杆上的P、P 测点,在疲劳循环过程中,应力均为负值,说明竖腹杆始终受压,而受压图应力随循环次数变化构件不考虑疲劳损伤,试验过程中也未发现竖腹杆出现裂纹下弦杆上的P、P 测点,在疲劳循环过程中,应力均为正值,说明下弦杆始终受拉随着循环次数的增加,位于下弦杆跨中上端的P 测点应力逐渐减小,位于跨中下端的P 测点应力逐渐增大,符合下弦杆实际受力情况二者应力变化均较小,不会发生疲劳损伤,试验过程中未发现下弦杆出现裂纹,P 和P 测点应力变化与试验现象相符斜腹杆上的P和P、P和P为组对称测点,在疲劳循环过程中,这两组测点的应力均为正值,说明斜腹杆始终受拉疲劳循环开始时,对称测点的应力接近,随着循环次数的增加,应力差值有增大的趋势左斜腹杆上的P、P测点应力随着循环次数的增加而减小,右斜腹杆上的P、P测点应力随着循环次数的增加,整体呈现出上升趋势,说明右斜腹杆的疲劳受损程度比左斜腹杆大,这解释了试验最终破坏位置发生在右斜腹杆上的事实将破坏位置附近P测点及对称测点P的应力随静力加载等级的变化绘制在图中图应力随荷载等级变化由图可知:P测点应力随着循环次数的增加逐渐减小,减小速度先快后慢,最终趋于稳定在 万次循环时P测点应力逐渐减小,减小幅度较小;在 万 万次循环时P测点应力急剧下降,说明在该阶段右斜腹杆内部的损伤开始逐步形成;在 万 万次循环时P测点应力反向增大,且增速较稳定,最后超过了循环起始应力,说明在该阶段应力发生了重分布武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷损伤演化分析 损伤演化方程推导在连续损伤力学中,损伤变量是用来描述微缺陷对材料或结构的影响文献 将钢材残余应变的增加定义为损伤变量,用分段函数来描述钢结构的损伤演化规律结合本试验的实际情况,当荷载水平为疲劳加载下限 k N,取最终破坏位置附近的P 测点的应变,将其相对变化定义为损伤变量,为Du()式中:D为损伤变量;为加载到一定次数时的应变;为初始应变;u为疲劳破坏时的应变损伤演化方程是用损伤变量和时间的关系来描述材料或构件疲劳损伤发展过程疲劳损伤发展过程通常分为三个阶段:快速发展阶段、稳定发展阶段、急剧破坏阶段 本文用分段函数式()来描述这三个阶段Da(nN),nN Db(nN)b(nN)b(nN)b,nN Dc(nN)c,nN()式中:a、b、c为本试验条件下待确定的常数;n为循环次数;N为疲劳寿命;n/N为循环比由于发生疲劳破坏时的应变无法测得,根据文献 取损伤稳定发展阶段的损伤度为破坏时的/该损伤变量D随循环比n/N的变化见图 用最小二乘法对上述三阶段进行拟合,可得D (nN),nN D (nN)(nN)(nN),nN D (nN),nN()由图可知:试件的损伤演化呈很明显的三阶段变化第一阶段为万次疲劳循环,在该阶段损伤发展较快,该阶段占总寿命的 ,损伤发展了约 ;第二阶段为万 万次疲劳循图损伤度随循环比变化环,在该阶段损伤发展平缓,该阶段占总寿命的 ,损伤发展了约 ;第三阶段为 万 万次疲劳循环,在该阶段损伤迅速增加直到试件破坏,该阶段占总寿命的,损伤发展了约 损伤度对比为判断损伤演化方程的适用性,针对右斜腹杆的破坏位置,利用英国规范B S 计算理论损伤度,计算公式见式(),计算结果和损伤演化方程的预测结果见表、图DnNn(r)m()式中:r为应力幅,右斜腹杆为 MP a;n为r作用次数;N为r作用下的疲劳寿命;为N 时对应疲劳细节的应力幅,经查D类细节的 MP a 表损伤度对比疲劳荷载作用次数/万次循环比预测损伤度理论损伤度 图预测和理论损伤度随循环比变化第期朱安东,等:钢桁梁悬索桥整体节点疲劳损伤演化分析由图可知:理论损伤度随循环比的增加而线性增大,当循环比小于 或者接近时,预测损伤度大于理论损伤度,这是因为损伤演化方程分别考虑了损伤的初步萌生和临近破坏时的急剧增长,更符合实际情况当循环比大于 且接近之前,预测损伤度小于理论损伤度,这是因为英国规范B S 是基于M i n e r线性损伤累积准则来计算损伤度的,理论值更大也就意味着更保守总得来说,基于损伤演化方程计算的损伤度更符合损伤发展的实际情况,具有更高的准确性和更好的经济性结论)实桥疲劳最不利整体节点 缩尺模型的试验寿命为 万次循环,接近设计寿命 万次循环,可以认为其疲劳寿命满足使用要求)在损伤萌生和临近破坏阶段,损伤演化方程预测的损伤度比理论值更大,更符合实际情况;在损伤平稳发展阶段,预测的损伤度比理论值更小,更准确也更经济参 考 文 献郭琪,韩之江,邢颖,等桥梁中整体节点疲劳性能研究综述C第十八届全国现代结构工程学术研讨会,上海,CHE NGB,Q I ANQ,S UNHT S t e e l t r u s sb r i d g e sw i t hw e l d e db o x s e c t i o nm e m b e r sa n db o w k n o t i n t e g r a l j o i n t s,p a r t i:l i n e a ra n dn o n l i n e a ra n a l y s i sJJ o u r n a lo fC o n s t r u c t i o n a lS t e e lR e s e a r c h,():邓晓光,刘沐宇,史晶,等大跨径双层悬索桥钢桁梁整体焊接节点疲劳分析与试验J中国公路学报,():廖平,卫星,肖林,等沪通铁路长江大桥主梁新细节疲劳性能试验研究J土木工程学报,():卫星,肖林,唐继舜钢桁梁全焊桁片腹杆与节点焊接连接细节疲劳性能试验研究J铁道学报,():舒江,刘琪,彭元诚白洋长江公路大桥主桥设计J桥梁建设,():张清利,刘健,洪博文,等基于随机车流的白洋长江公路大桥钢桁梁杆件疲劳损伤分析J世界桥梁,():洪博文基于大跨钢桁架悬索桥车辆荷载谱的杆件疲劳性能评估D武汉:武汉理工大学,余波基于实测应变的正交异性钢桥面板构造细部疲劳寿命评估D南京:东南大学,Y A NLB,HA NB,F A NL,e t a l F a t i g u ed a m a g eo fp b hs h e a r c o n n e c t o r o f s t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t e s t r u c t u r eJ E n g i n e e r i n gS t r u c t u r e s,():F a t i g u eD a m a g eE v o l u t i o nA n a l y s i so fWh o l eJ o i n to fS t e e lT r u s sG i r d e rS u s p e n s i o nB r i d g eZ H UA n d o n g H EX i o n g j u n WU W e i w e i Z E N GZ h i y u a n L I UX i a o w u(S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o na n dL o g i s t i c sE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h ep r o j e c to fB a i y a n gY a n g t z eR i v e rB r i d g e,t h e f a t i g u e l i f eo f i t ss c a l em o d e lw a so b t a i n e dt h r o u g h f a t i g u e t e s t,a n d t h ed a m a g e e v o l u t i o ne q u a t i o nw a sd e d u c e da c c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a t i g u et e s tr e s u l to fas i n g l es c a l em o d e l i s t h o u s a n dc y c l e s,w h i c h i sc l o s e t ot h ed e s i g nl i f eo f t h o u s a n dc y c l e s,s ot h e f a t i g u ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l e j o i n to f t h e r e a l b r i d g em e e t s t h e r e q u i r e m e n t s T h ed a m a g e e v o l u t i o ne q u a t i o nd e r i v e d f r o mt h e t e s t r e s u l t sh a so b v i o u s t h r e e s t a g ec h a r a c t e r i s t i c s,t h ed u r a t i o no fw h i c ha c c o u n t s f o r,a n d o f t h et o t a l l i f e,a n d t h ed a m a g eg e n e r a t e d i s ,a n d r e s p e c t i v e l y C o m p a r e dw i t ht h e t h e o r e t i c a l d a m a g ed e g r e ec a l c u l a t e db yB r i t i s hs t a n d a r dB S ,i th a sb e t t e ra c c u r a c ya n de c o n o m y K e yw o r d s:s u s p e n s i o nb r i d g e;s t e e l t r u s sg i r d e rw h o l e j o i n t;f a t i g u ed a m a g e;f a t i g u e l i f e武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷