對(duì)焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋成因及解決對(duì)策

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1、鐵道建筑l8RailwayEngineering文章編號(hào)：1003—1995(2011)04—0018—04焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋成因及解決對(duì)策郭春華，任偉平(1．紹興市曹娥江袍江大橋建設(shè)工程指揮部，浙江紹興311800；2．西南交通大學(xué)，成都610031)摘要：各種連接細(xì)節(jié)處不斷出現(xiàn)的疲勞開(kāi)裂是橋梁鋼結(jié)構(gòu)所面臨的主要問(wèn)題之一。在對(duì)焊接鋼橋疲勞破壞特點(diǎn)及主要影響因素進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)鋼橋所面臨的疲勞問(wèn)題現(xiàn)狀，對(duì)十類典型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞破壞機(jī)理及特征進(jìn)行了研究，總結(jié)出較大初始缺陷和小間隙處面外變形是導(dǎo)致實(shí)橋焊接細(xì)節(jié)發(fā)生疲勞破壞

2、的兩類最主要因素。最后，提出了防范焊接鋼橋疲勞破壞的對(duì)策。關(guān)鍵詞：橋梁工程疲勞破壞分析研究典型細(xì)節(jié)破壞機(jī)理中圖分類號(hào)：U441．4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B隨著運(yùn)營(yíng)車輛總重和交通量的不斷增加，橋梁鋼結(jié)構(gòu)所面臨的疲勞問(wèn)題正變得日趨嚴(yán)重。特別是20世紀(jì)60年代以來(lái)，許多鋼橋出現(xiàn)了各種形式的疲勞裂紋，因疲勞斷裂而釀成的災(zāi)難性事故也時(shí)有發(fā)生。根據(jù)美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)疲勞與斷裂分委會(huì)的調(diào)查結(jié)果，80％～90％的鋼結(jié)構(gòu)破壞均和疲勞有關(guān)，疲勞已成為橋梁鋼結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一。對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，近些年來(lái)各類形式鋼橋數(shù)量正不斷增加，一方面需要確保圖1外層蓋板端部疲勞裂紋大量

3、新建鋼橋構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求，另一方面急需對(duì)大量正在運(yùn)營(yíng)的既有鋼橋的剩余疲勞壽命做出正確判斷，并對(duì)存在疲勞問(wèn)題的構(gòu)件采取及時(shí)有效1．2平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)板與主梁的連接平縱聯(lián)與主梁連接處的節(jié)點(diǎn)板通常需焊連到主梁的方案進(jìn)行修復(fù)。為更好解決這些問(wèn)題，就需要對(duì)焊的翼緣(連在翼緣側(cè)邊或搭在翼緣上面)或腹板上。接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及解決對(duì)策進(jìn)行大量實(shí)例和試驗(yàn)研究表明，平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)板連接焊縫端研究。部的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，基本接近于各?guó)規(guī)范疲勞強(qiáng)度1焊接鋼橋易疲勞破壞的典型細(xì)節(jié)分級(jí)的最低等級(jí)，稍有不甚此細(xì)節(jié)極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂破壞。美國(guó)已有多座鋼橋發(fā)

4、現(xiàn)此類疲勞開(kāi)裂破壞(見(jiàn)1．1工形鋼梁蓋板端部連接圖2)，如美國(guó)的LafayetteStreet橋、Hoan橋等。對(duì)局部焊有外層蓋板的工形鋼梁而言，無(wú)論蓋板端部有無(wú)橫向焊縫，還是改變蓋板端部的幾何形狀，蓋板端部細(xì)節(jié)處的疲勞強(qiáng)度均很低。大量實(shí)例和試驗(yàn)研究表明，在車輛荷載作用下該細(xì)節(jié)極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂破壞，且疲勞裂紋一般均萌生在蓋板末端與翼緣的連接角焊縫焊趾處。20世紀(jì)70～80年代，世界上有多座鋼板梁橋均出現(xiàn)了此類疲勞裂紋(圖1)，比較典型的有美國(guó)的YellowMillPond橋，澳大利亞的King’s橋¨，以及我國(guó)的京包鐵路上的關(guān)沙河橋等。

5、圖2主梁腹板上平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)板焊縫處的疲勞破壞1．3鋼板梁橫梁(或橫聯(lián))連接板端部連接收稿日期：2010—11—02；修回日期：2011一O1—1020世紀(jì)80年代前國(guó)內(nèi)外的鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范只允許作者簡(jiǎn)介：郭春華(1968一)，男，浙江嵊州人，高級(jí)工程師。2011年第4期焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞裂紋成因及解決對(duì)策l9橫梁(或橫聯(lián))連接板端部與受壓翼緣焊接，并禁止其例，如我國(guó)京山線的北運(yùn)河橋、京山線的飲馬河橋、湘與主梁受拉翼緣焊接，目的是為了避免受拉翼緣產(chǎn)生桂線的浪江橋等。此類疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，是由于疲勞裂紋。不幸的是，按此要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的許多鋼板加

6、勁肋的剛度比腹板的面外彎曲剛度大得多，腹板的梁橋的橫梁(或橫聯(lián))連接板端部間隙區(qū)卻發(fā)現(xiàn)了大面外彎曲變形集中發(fā)生在加勁肋焊縫端部與受拉翼緣量的疲勞裂紋’j，其原因多為在小間隙區(qū)產(chǎn)生的面之間的微小間隙處，即在該小間隙處就產(chǎn)生了小變形外變形而導(dǎo)致，圖3為實(shí)橋中此類疲勞裂紋的照片。大應(yīng)變。此類疲勞裂紋的產(chǎn)生位置有兩處：一是腹板和翼緣間1．6縱橫梁橋面系的梁端連接的角焊縫焊趾處，裂紋形狀呈水平狀；二是腹板和連接縱橫梁橋面系中縱梁與橫梁梁端連接處(圖5)的板間角焊縫的端部，裂紋形狀呈馬蹄形。影響線底邊長(zhǎng)度較短，當(dāng)每輛(列)車通過(guò)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生多次應(yīng)力

7、循環(huán)，此外還要直接承受車輛荷載的沖擊作用，許多實(shí)橋運(yùn)營(yíng)表明，該連接細(xì)節(jié)極易出現(xiàn)疲勞破壞圖3連接板上端部平面外變形所產(chǎn)生的疲勞裂紋(a1縱橫粱等高Co)縱橫粱不等高1．4橫梁與主梁弦桿(或系桿)間連接橫梁與主梁弦桿(或系桿)間連接構(gòu)造的功能是圖5縱梁與橫梁的連接將橋面系荷載傳遞給主梁，其最理想的受力狀態(tài)是只傳遞剪力而不傳遞彎矩，因?yàn)榱憾藦澗剡^(guò)大可能會(huì)引1．7橫梁和懸臂托架間連接板起主梁弦桿(或系桿)的扭轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致構(gòu)造設(shè)置困難。橫梁和懸臂托架間連接板(魚(yú)形板)也是較早發(fā)因此，僅在橫梁腹板上設(shè)置一對(duì)連接角鋼與主梁弦桿現(xiàn)的面外位移引起疲勞開(kāi)裂的

8、一種典型細(xì)節(jié)。特別是(或系桿)相連是國(guó)內(nèi)外的普遍做法。但事實(shí)表明，此在我國(guó)的鐵路橋和歐美的一些公路疊合梁橋中，曾大種連接方法常會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)位置處出現(xiàn)疲勞裂紋：一量出現(xiàn)過(guò)此類疲勞裂紋。原因主要是如圖6所示的主