正交异性钢桥面顶板与纵肋连接焊缝疲劳性能评价方法与流程

本发明属于正交异性钢桥面领域，具体涉及正交异性钢桥面顶板与纵肋连接焊缝疲劳性能评价方法。

背景技术：

正交异性钢桥面是大跨径钢结构桥梁主要的桥面形式，但由于其纵肋与横隔板数量较多且焊接细节复杂，局部应力集中显著，在运营过程中直接承受车辆荷载反复作用，疲劳开裂现象严重。在上述疲劳裂缝中，可划分为顶板与纵肋连接焊缝处的疲劳开裂，纵肋与横隔板连接焊缝处的疲劳开裂，横隔板苹果口处的横向裂纹，其中顶板与纵肋连接焊缝的疲劳裂纹源会出现在焊趾、焊根或焊喉。顶板与纵肋连接焊缝在所有焊缝数量中占有相当一部分比例，一旦该处裂纹贯穿顶板，将会造成桥面铺装开裂，危及行车安全，雨水渗漏，加剧桥面板腐蚀，缩短桥梁结构寿命。因此，顶板与纵肋连接焊缝的疲劳性能是正交异性钢桥面设计的重要内容。

正交异性钢桥面构造复杂，U肋主要承受面外弯矩，由于实际运营过程中不同车道内车辆轮位在横向按照概率进行分布，因而不同横向轮位将会导致顶板与纵肋焊缝疲劳裂纹源按照概率出现于焊趾、焊根或焊喉部位。目前顶板与纵肋连接焊缝处的疲劳试验方法并未对焊趾、焊根或焊喉的疲劳强度加以区分，试验结果虽然能对实际工程起到一定的参考作用，但缺乏相对统一的疲劳试验方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种正交异性钢桥面顶板与纵肋连接焊缝疲劳性能评价方法。

本发明所采用的技术方案为：正交异性钢桥面顶板与纵肋连接焊缝疲劳性能评价方法，包括以下步骤：

S1、对待测试件进行静力加载，测试并记录距离焊缝焊趾部D1处的静载应力响应ε0(D1)和距离焊缝焊趾部D2处的静载应力响应ε0(D2)；

S2、对待测试件进行疲劳加载，测试记录距离焊缝焊趾部D1处的动态应力响应ε1，测试记录焊缝焊根部的动态应力响应ε2，以监测裂纹扩展情况，并记录待测试件的疲劳破坏寿命Ni，其中Ni是指测得的第i个待测试件的疲劳破坏寿命；

S3、根据静载应力响应ε0(D1)和ε0(D2)计算该焊缝的名义应力幅Δσns，并计算该焊缝的热点应力幅Δσhs；

S4、根据线性疲劳损伤理论，将实测名义应力幅Δσns与实测热点应力幅Δσhs分别换算为M次寿命下的等效名义应力幅Δσ'ns与等效热点应力幅Δσ'hs；

S5、将各待测试件换算所得的等效名义应力幅Δσ'ns与等效热点应力幅Δσ'hs分别求平均值，得到各待测试件平均等效名义应力幅与平均等效热点应力幅将其与规范中规定的正交异性钢桥面顶板与纵肋疲劳细节的疲劳强度等级进行对比分析。

作为一种优选的技术方案，所述D1和D2分别为0.5t和1.5t，则D1处的静载应力响应ε0(D1)为ε0(0.5t)，D2处的静载应力响应ε0(D2)为ε0(1.5t)，其中，t为顶板的厚度。

进一步地，步骤S3中名义应力幅Δσns的计算方式为：

Δσns＝σmax-σmin，

其中：

σmax＝E×ε0(1.5t)max，

σmin＝E×ε0(1.5t)min，

E为待测试件的弹性模量。

进一步地，步骤S3中热点应力幅Δσhs的计算方式为：

Δσhs＝1.5Δσ0.5t-0.5Δσ1.5t；

其中：

Δσ0.5t＝E×Δε0(0.5t)＝E×(ε0(0.5t)max-ε0(0.5t)min)；

Δσ1.5t＝E×Δε0(1.5t)＝E×(ε0(1.5t)max-ε0(1.5t)min)；

E为待测试件的弹性模量。

进一步地，步骤S4中Δσns至Δσ'ns的换算过程如下：将实测名义应力幅Δσns与对应的实测疲劳破坏寿命Ni、等效名义应力幅Δσ'ns与M分别带入下式中：

logΔσi＝A+BlogNi，

其中，B为-1/3，得到：

logΔσns＝A+BlogNi (1)；

logΔσ'ns＝A+BlogM (2)；

由式(1)和式(2)相减得：

进一步地，步骤S4中Δσhs至Δσ'hs的换算过程如下：将实测热点应力幅Δσhs与对应的实测疲劳破坏寿命Ni、等效热点应力幅Δσ'hs与M分别带入下式中：

logΔσi＝A+BlogNi，

其中，B为-1/3，得到：

logΔσhs＝A+BlogNi (3)；

logΔσ'hs＝A+BlogM (4)；

由式(3)和式(4)相减得：

进一步地，步骤S1中通过在距离焊缝焊趾部D1处安装静载应变片以测试ε0(D1)，通过在距离焊缝焊趾部D2处安装静载应变片以测试ε0(D2)，D1处静载应变片与D2处静载应变片一一对应。

进一步地，步骤S2中通过在距离焊缝焊趾部D1处安装动载应变片以测试ε1，且D1处动载应变片与D1处静载应变片间隔均匀分布。

本发明的有益效果为：通过本发明所提供的技术方案，可以明确正交异性钢桥面顶板与纵肋连接焊缝的疲劳强度的测试方法，更准确的对该焊缝的疲劳强度进行评价。

附图说明

图1为待测试件的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的俯视图；

图4为待测试件焊趾处应变片的分布示意图；

图5为待测试件焊根处应变片的分布示意图；

图6为待测试件上应变片分布的剖面示意图；

图7为试验台的结构示意图；

图8为图7的主视图；

图9为图7的左视图；

图10为待测试件与试验台的装配示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“前”、“后”、“左”、“右”、“底”、“侧面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

本实施例中用到的试验器材包括试验台5、水平居中设于试验台上的待测试件4、对待测试件循环加载的加载装置、监测待测试件荷载响应的应变片以及应变片的数据采集装置。

如图7、图8和图9所示，试验台包括钢底板6、设于钢底板上的钢腹板9以及设于钢腹板上的钢顶板11，如图1和图2所示，待测试件4包括通过焊缝连接的顶板41与纵肋42，纵肋为U型，测试时，如图10所示，顶板可拆卸地固定于钢顶板上，加载装置放置于顶板上并与所述焊缝对应。

其中，试验台还包括盖板3、设置于钢底板上的底板加劲肋8和设置于钢腹板上的腹板加劲肋7，盖板上设有螺栓10，所述顶板和钢顶板上均设有与螺栓对应的开孔，测试时，顶板通过螺栓和盖板固定在钢顶板上，螺栓依次穿过顶板和钢顶板，在螺栓的下端安装螺母进而将顶板固定在钢顶板上，且盖板与顶板之间、顶板与钢顶板之间均设有橡胶垫2。

具体地，如图4、图5和图6所示，应变片包括安装于距离焊缝焊趾部D1处的静载应变片和动载应变片、安装在距离焊缝焊趾部D2处的静载应变片以及安装于焊缝焊根处的动载应变片；其中，D1处的静载应变片和动载应变片间隔均匀分布，D1处的静载应变片与D2处的静载应变片一一对应。需要说明的是，本申请中，静载应变片是指对待测试件进行静力加载、用以测试待测试件焊缝处静载应力响应的应变片；动载应变片是指对待测试件进行疲劳加载、用以测试待测试件焊缝处动态应力响应的应变片。

本实施例中，D1和D2分别为0.5t和1.5t，其中，t为顶板的厚度，即在距离焊缝焊趾部D1处间隔安装静载应变片和动载应变片，方向为垂直于焊缝方向，在距离焊缝焊趾部D2处安装静载应变片，方向为垂直于焊缝方向。其中，焊趾处的静载应变片只布置在据两端0-L/4区域范围内，动载应变片根据实际情况布置在0-L范围内，其中，L为待测试件沿纵肋方向上的长度，如图3所示。

具体地，数据采集装置包括分别与D1处的静载应变片、与D1处的动载应变片、D2处的静载应变片以及焊缝焊根处的动载应变片一一对应的第一静态应变箱、第一动态应变箱、第二静态应变箱以及第二动态应变箱。

具体地，所述加载装置包括设于顶板上的加载垫1以及设于加载垫上的作动器。

利用上述试验器材，本实施例提供的正交异性钢桥面顶板与纵肋连接焊缝疲劳性能评价方法的具体步骤如下：

S0、试验准备，利用上述器材搭建测试系统，主要包括：在待测试件的相应位置处安装相应的静载应变片和动载应变片，安装前先对关注部位打磨除锈，安装后使用欧姆表逐个检查应变片是否正常，如有问题应及时更换；再将待测试件安装在试验台上，并将静载应变片与对应的静态应变箱相连、动载应变片与对应的动态应变箱相连。其中，试验台锚固于试验室地面锚固系统。

S1、对待测试件进行静力加载，测试并记录距离焊缝焊趾部D1处的静载应力响应ε0(D1)和距离焊缝焊趾部D2处的静载应力响应ε0(D2)。

静载试验应采用均匀分级加载，级数为4-5级，每级持荷30s，加载至目标荷载时，记录相应的初始静载应变片数据ε0(D1)与ε0(D2)，所有应变片实测数值应随荷载的增加呈线性变化，说明试件各部位均处于弹性工作状态。所施加荷载幅应保证各个待测试件的应力比一致，为减少数据换算带来的误差，应尽量采用恒幅加载；进一步的，各待测试件之间的应力幅应具有一定梯度变化。

S2、对待测试件进行疲劳加载，测试记录距离焊缝焊趾部D1处的动态应力响应ε1，测试记录焊缝焊根部的动态应力响应ε2，以监测裂纹扩展情况，并记录待测试件的疲劳破坏寿命Ni，其中Ni是指测得的第i个待测试件的疲劳破坏寿命。

疲劳加载时，加载垫水平纵向居中放置在待测试件任一条焊缝正上方，并通过作动器施加垂直作用力，作动器中心应置于加载垫正中心，以免加载过程中发生受力不均。

正式加载之后，应每隔一定疲劳加载次数记录动态应变数据，监测裂纹开展情况。在任一侧裂纹延伸至顶板上顶面时，即认为该试件已发生疲劳破坏，此时记录疲劳加载次数N即为该试件在名义应力幅Δσns或热点应力幅Δσhs下的疲劳寿命。

S3、根据静载应力响应ε0(D1)和ε0(D2)计算该焊缝的名义应力幅Δσns，并计算该焊缝的热点应力幅Δσhs；

S4、根据线性疲劳损伤理论，将实测名义应力幅Δσns与实测热点应力幅Δσhs分别换算为M次寿命下的等效名义应力幅Δσ'ns与等效热点应力幅Δσ'hs；

S5、将各待测试件换算所得的等效名义应力幅Δσ'ns与等效热点应力幅Δσ'hs分别求平均值，得到各待测试件平均等效名义应力幅与平均等效热点应力幅将其分别与《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)中所规定的疲劳强度等级进行对比，也可以进行各待测试件之间的对比。

作为一种优选的技术方案，所述D1和D2分别为0.5t和1.5t，则D1处的静载应力响应ε0(D1)为ε0(0.5t)，D2处的静载应力响应ε0(D2)为ε0(1.5t)，其中，t为顶板的厚度。

进一步地，步骤S3中名义应力幅Δσns的计算方式为：

Δσns＝σmax-σmin，

其中：

σmax＝E×ε0(1.5t)max，

σmin＝E×ε0(1.5t)min，

E为待测试件的弹性模量。

进一步地，步骤S3中热点应力幅Δσhs的计算方式为：

Δσhs＝1.5Δσ0.5t-0.5Δσ1.5t；

其中：

Δσ0.5t＝E×Δε0(0.5t)＝E×(ε0(0.5t)max-ε0(0.5t)min)；

Δσ1.5t＝E×Δε0(1.5t)＝E×(ε0(1.5t)max-ε0(1.5t)min)；

E为待测试件的弹性模量。

进一步地，步骤S4中Δσns至Δσ'ns的换算过程如下：将实测名义应力幅Δσns与对应的实测疲劳破坏寿命Ni、等效名义应力幅Δσ'ns与M分别带入下式中：

logΔσi＝A+BlogNi，

其中，A为常数，B为-1/3，得到：

logΔσns＝A+BlogNi (1)；

logΔσ'ns＝A+BlogM (2)；

由式(1)和式(2)相减得：

进一步地，步骤S4中Δσhs至Δσ'hs的换算过程如下：将实测热点应力幅Δσhs与对应的实测疲劳破坏寿命Ni、等效热点应力幅Δσ'hs与M分别带入下式中：

logΔσi＝A+BlogNi，

其中，B为-1/3，得到：

logΔσhs＝A+BlogNi (3)；

logΔσ'hs＝A+BlogM (4)；

由式(3)和式(4)相减得：

本实施例中，M取200万次。

本实施例中，对两种焊缝疲劳细节的待测试件进行试验，这两类待测试件分别命名为A类试件和B类试件，其中，A类试件随机选取7件，分别为A1-A7，B类试件随机选取11件，分别为B1-B11，试验数据如下表1：

表1

对A类试件和B类试件共18个试件，按照本实施例方法进行了疲劳试验并进行了数据分析，结果显示，按照上述疲劳评价方法，A类试件的平均等效名义应力幅为103MPa，平均等效热点应力幅为128MPa，B类试件的平均等效名义应力幅为125MPa，平均等效热点应力幅为155MPa，B类试件的疲劳强度优于A类试件。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。