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1、轨道横梁与整体节点连接的疲劳试验摘 要:对重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点的连结构造细节进行了足尺模型疲劳试验.通过有限元分析,选定了试验节点,确定疲劳荷载上限为660kN,下限为50kN.试验实测应力幅为31.33MPa,加载200万次后,试验模型未出现裂纹.试验结果表明,该桥轨道横梁与整体节点的连接构造细节在其使用寿命期间内不会发生疲劳开裂,疲劳强度满足要求.关键词:公路-轻轨两用桥;钢桥;轨道横梁;整体节点;疲劳试验 近年来,随着钢桥跨度的增大以及焊接技术的成熟,整体节点技术得到了较广泛的运用,如运
2、用最早的孙口黄河大桥、随后竣工的芜湖长江大桥、渝怀铁路长寿长江大桥以及正在施工的重庆菜园坝长江大桥,重庆朝天门长江大桥钢桁拱初步设计也采用了整体节点.钢梁各杆件间的连接均通过整体节点,在节点外用高强度螺栓连接.整体节点构造复杂,焊缝密集,既有对接焊缝,又有棱角焊缝和角焊缝.对于采用整体节点的大跨度钢桥,疲劳问题受到广泛关注与重视.曾对孙口黄河大桥进行了整体节点模型试验(几何相似比1∶3),对整体节点技术在孙口黄河大桥上的应用提供了保障[1,2].为了防止芜湖长江大桥整体节点出现疲劳裂纹,保证桥梁安全运营,延长使
3、用期限,也进行了钢梁焊接整体节点疲劳试验(几何相似比1∶4)[3,4].重庆菜园坝长江大桥为中国首座特大公路-轻轨两用桥,采用预应力混凝土Y型刚构与提篮钢箱系杆拱、钢桁梁的组合结构.系杆拱桥主跨420m,对称布置的边跨和侧跨分别为102m和88m.下层桥面的轨道横梁直接承受轻轨荷载,并将轻轨荷载通过其与整体节点的高强度螺栓连接传递给整体节点,板厚公差与制造公差对高强度螺栓连接的疲劳强度影响很大.此外,整体节点与轨道横梁的连接焊缝(整体节点内部)的疲劳性能也引起设计人员担心.因此,有必要对重庆菜园坝长江大桥轨道横
4、梁与整体节点连接进行疲劳试验,同时为整体节点技术在大跨度钢桥中的应用提供参考.1试验方案1.1试验模型 轨道横梁与整体节点连接处构造细节的疲劳性能受多种因素影响.鉴于构造细节的疲劳性能与结构尺寸的关系非常密切,而缩尺模型与实际结构疲劳性能之间的关系不易确定,因此采用足尺模型进行疲劳试验(图1).模型设计按重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点原型,要求模型与实桥结构(原型)的应力分布、应力集中情况和表面条件等尽可能相似.模型包含实桥轨道横梁与整体节点连接的全部构造细节,构造细节的布置与实桥结构相同,采用1∶1的
5、几何模型,模型材质和实桥材质完全相同.通过全桥有限元计算,选取实桥中受力最不利的有代表性的轨道横梁与整体节点进行疲劳试验.由于下平纵联、斜撑杆及斜腹杆的荷载幅值变化相对较小,而且疲劳试验空间加载的难度大且不易控制,模型中去掉了下平纵联、竖杆、斜腹杆及斜撑杆.轨道横梁的长度不是实桥的1/2,而是由轨道横梁与整体节点连接处的弯矩和剪力决定.试验的边界约束条件为轨道横梁梁端简支,下弦杆两端与地面固定.1.2试验加载 试验在西南交通大学结构工程试验中心进行,加载设备为美国MTS公司制造的1MN全自动液压伺服疲劳试验机
6、.通过对重庆菜园坝长江大桥的全桥结构分析,结合对该桥的交通流量预测,参考BS5400[5]和AASHTO规范[6],获得了该桥的疲劳荷载谱.疲劳荷载谱考虑了重庆轻轨列车和六车道汽车荷载.公路荷载谱的确定:分别按BS5400标准疲劳车式样、典型车式样和AASHTO标准疲劳车3种情况进行计算、比较,结果AASHTO标准疲劳车最为不利.公路荷载的作用次数确定为在该桥使用寿命期内实际交通量的10%.轻轨荷载谱的确定:典型荷载为重庆轻轨标准疲劳车,轴重力90kN,单车重力360kN,轴距与实际车辆一致,初期、近期及远期编
7、组分别为4,6和8辆车.典型荷载的作用次数为在该桥的设计寿命期间内轻轨列车的设计运行次数.考虑到200万次疲劳加载属于研究习惯,而钢桥疲劳属于变幅、低应力、高循环、长寿命的疲劳范畴.但根据目前的试验设备、技术水平和试验时间要求,通常只能进行常幅疲劳试验.通过Miner线性累计损伤律,将按公路荷载谱和轻轨荷载谱确定的变幅循环应力幅及次数等效为损伤度相同的200万次的常幅循环应力幅.轨道横梁与整体节点连接处疲劳试验200万次的等效弯矩幅为663kN·m,等效剪力幅为388kN.由轨道横梁与整体节点连接处的控制内力幅
8、,换算得到疲劳加载200万次的荷载上限为660kN,下限为50kN.通过计算分析,加载中心点在距轨道横梁简支端3.05m处.疲劳加载前进行静载试验,静载试验采用逐级加载的方式.荷载分级:50kN→200kN→350kN→500kN→660kN→500kN→350kN→200kN→50kN.疲劳加载到一定次数后停机,进行(逐级加载的)静载试验,荷载分级与疲劳加载前的静载试验相同,以考察试
