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发布时间:谭康荣
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摘 要:本疲劳试验结果研究报告中的宽300mm的试件有三个细节:80%的焊缝熔深(80%PJP),焊缝熔穿(WMT)和两者都有。该试件是从厚16mm的足尺正交异性桥面板试件上切割下来的。在疲劳试验中,桥面板承受循环弯曲载荷,加劲肋不施加荷载。从疲劳断裂面发现WMT可能会影响疲劳裂纹的产生。观察发现疲劳开裂倾向于发生在底部,而不是坡脚。从S-N图表明,WMT试件的疲劳强度略低于80%PJP试件,但他们的区别更可能是由于测试的离散数据引起的,这意味着这两个细节的疲劳强度具有相似性。目前的测试结果满足于JSSC-E( 2×l06 次循环后达80 MPa)和AASHTO-C(2×l06 次循环后达89 MPa)荷载下的S-N曲线。

关键字 :正交异性钢桥面板;肋板焊缝; 疲劳强度 ;平面弯曲; 疲劳裂缝; 疲劳寿命

介绍

由于正交异性钢桥面U肋(OSDs)(凹槽肋)质量轻、安装快速、承载力高,被广泛应用于悬索桥,斜拉桥和城市高架桥。在日本,大多数由OSDs组成的桥面板都厚12mm,桥面沥青路面厚60-80mm, 纵向铺设许多标准尺寸的U肋,由间隔从2~4.5米的横梁支撑。U肋经常用焊脚为6mm的角焊焊接到桥面板,需要一些焊接熔透。在日本道路协会规范(JRA 2002),75%的焊接熔透率是必需的。如果使用标准的细节那么疲劳评价就没有必要了。注意LRFD桥梁设计规范(AASHTO 2004年)规定正交异性桥面板焊缝熔透要达到80%。

文献综述

最近,日本经常报道两种OSDs正交异性桥面板上的疲劳裂纹,第三种可能出现的疲劳裂纹如下图1所示 。桥面底部的裂缝在过去十年中备受关注。裂纹的萌生点是在焊缝底部和U肋内部,检查困难。一旦裂缝通过的桥面板传播,就会影响沥青路面,也会影响车辆运行的安全性。迄今为止在日本已经进行了很多深入的研究。例如,Mizuguchi等(2004)提出新的OSD,即桥面板是标准厚度的1.5倍,U肋也比标准OSD大1.5倍。新的细节被用于连接东京和名古屋的新建东名高速公路上的一些新的桥梁上。Miki等人(2005年),通过有限元分析表明,桥面板的小弯曲刚度主要可能是由疲劳裂纹引起的。通过全尺模型试验,Ono等(2009)提出用钢筋混凝土(SFRC)改造或修补现有OSDs。Kodama等(2010)报道了钢筋混凝土在实际OSDs的应用。Ya 、 Yamada (2008) 和 Xiao等(2008)表明,使用厚桥面板(16mm)能提高正交异性桥面板焊缝的疲劳耐久性。在日本更多关于OSDs的文献资料可以在别处找到(Machida等2004年;Yamada 和 Ya 2008b)。

早些时候报道的底部焊接裂缝,即出现在底部通过焊缝传播,进行了许多实验研究来加以证明(Maddox 1974a)。这些疲劳裂纹产生的主要原因是焊缝厚度不足。增加焊缝厚度可以防止这种裂纹的产生((Maddox 1974a;Ya等2009)。

桥面顶部裂缝,从焊缝顶部产生然后传播到桥面板,如图1所示,至今在日本还没有报道。然而,在足尺模型疲劳试验中就观察到了这种现象(Mori等2006;Kawabata等2006)。在Lehigh大学进行的一个足尺模型疲劳试验中,使用16mm厚的桥面板,报告显示疲劳裂纹出现在焊缝底部(Tsakopoulos和Fisher2003)。最近Sim等(2009)进行了16mm厚桥面板足尺模型疲劳试验。(2009年) 在加利福尼亚大学圣迭戈分校(UCSD)发现疲劳裂缝主要是在焊缝顶部,而不是与桥面板焊接的焊缝的底部。在小尺寸疲劳试验中,底部和顶部都出现裂缝(Maddox 1974b; Ya等2008)。在Yamada 和 Ya (2008a)的实验中,也有报道少许焊缝顶部裂缝,尽管在疲劳试验之前焊缝顶部大致被打磨过。

Sim等人的疲劳试验中(2009年),研究了焊接熔透(WMT)对正交异性桥面板焊缝疲劳强度的影响,由于只有少量测试数据所以没有得到一个明确的结论。注意,WMT是电弧熔化,焊接材料进入U肋内部一种焊接状态。当制造一个薄的肋板(8mm厚)需要高熔透率的时候,在这个过程中可能会使用它。

研究的范围和对象

本研究的对象是一个从Sim等人(2009)的疲劳试验中使用的足尺正交异性桥面模型上切割下来的宽300mm试件。疲劳试验模拟桥面板的疲劳裂纹,通过应用板弯曲应力来观察疲劳裂纹的扩展行为和获得S-N曲线测试结果,可能对疲劳寿命的评估有一定作用。还对小尺寸和足尺实验做了比较。

疲劳试验

正交异性桥面板焊缝平面弯曲疲劳试验的基本概念

有限元分析(FEA)表明,活载作用下桥面板弯曲应力占主导地位。为了模拟桥面板的疲劳裂纹,循环弯曲应力应用到桥面板上,而U肋不受荷载,就像以前Yamada 、 Ya(2008A)和Ya等(2008年)那样。当循环弯曲应力作用在桥面板上时,如果焊颈厚度与肋的厚度之比小于1.5,焊颈可能会发生疲劳破坏,破坏可能发生在肋边的焊缝顶部。

试样

如图2所示的从以前在加州大学圣迭戈分校(Sim等,2009年)的疲劳试验中使用的三个足尺模型上切下的300mm宽的测试模型。

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