正交异性钢桥面板U肋与桥面板连接处焊缝的疲劳评估

谭康荣

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。

肋与板的焊接点切除位置远离加载位置，以避免受到以前加荷的影响。16mm厚桥面板的足尺模型长10m，宽3m，4根U肋厚8mm，3根横梁。肋与桥面板的焊缝有3个焊接条件：（1）80% 焊缝熔透率（80%PJP）；（2）焊接熔透（WMT）的；（3）焊接条件l和2各使用1m，交替使用。焊接接头使用埋弧焊焊接工艺 （SAW）。钢材等级为美国ASTM A709 345。

足尺模型制作有预拱和没有预拱两种，但切割时选择没有预拱的模型。预拱是一种用于在制造OSDs时，减少重复热量矫直桥面板的技术（Yanagihara等，2006）。

准备二十有三个不同的细节试件：（a）8个80%PJP；（b）6个 WMT；（c）6个80%PJP& MWT，每各80%PJP和 WMT宽150mm，如图3和表l所示。研究顶部和底部的开裂，试件又分为两大系列各10个，即D16R8和 D16T8分别研究顶部和底部。表l给出了实验计划。

然而，目测表明：八个80%PJP试件中的四个有一些WMT点。因此，80%PJP进一步分为两个亚组，即，（a1）80%PJP_P（不存在任何WMT），（a2）80PJP_W（存在一些WMT点）。WMT和80%PJP&WMT组发现焊缝外观比较粗糙，如图3（d）所示。

疲劳试验安装和程序

疲劳试验在两个振动疲劳试验机上进行（Yamada等，2007），如图4所示。通过内部振动器偏心旋转产生循环弯曲荷载作用到试件上。逆变器通过加载速度和施加的压力范围是变化来控制电机的转速。振动器只产生一个交变应力，r=-1（r =应力比）。由弹簧引起的静力来调节应力比。一个或多个动态应变录像机和一台个人电脑是用来监测整个疲劳试验应变。

疲劳装置如图5所示，其中一个是用来模拟桥面板底部裂纹，其他的模拟桥面板顶部开裂。在每个测试装置，固定端附近的应力范围是高于加载端。在这项研究中，应力比R设置在0.2左右，加载速度约为20赫兹。

六单轴应变计粘在桥面板上，离焊缝顶/底部5mm远，如图2所示。有限元分析表明：测量点的应变超出焊缝几何形状的影响。

对染料渗透剂（DP）和海滩标志（BM）进行了测试，以使裂纹的形状和大小留在断口，重要的是可以在以后获得疲劳裂纹的萌生和扩展行为。DP测试通过高度渗透的蓝墨水在焊缝底部/顶部画线，能在一个应变计中观察到应力变化范围小于5%的应变。墨水在断口上留下一个或多个标志（即染料记号），这些记号可以再疲劳试验后可观察到。BM测试在后期的裂纹扩展施加压力105周期后减少15%～30%的范围内进行了一次或几次。应力范围的减少导致了不同的裂纹扩展速率，然后同心标志（沙滩商标）出现在断口上。沙滩标志测试周期的数字不包括在试件的疲劳寿命报告中。

直径0.04mm的铜导线粘到试样表面，用来检测裂缝出现在桥面板的底部/顶部。铜导线连接到控制箱上，当裂缝切断他们时停止振动 。这个阶段的周期被定义为试件的疲劳寿命。

疲劳试验结果

疲劳裂纹萌生/传播行为

在D16R8系列10个试件均按计划的从桥面板底部产生裂纹破坏。一个小的伴随的桥面板顶部裂纹宽95mm，小于250mm宽的桥面板底部裂纹。因此，从底部破坏似乎是占主导地位。D16T8系列，是为了出现顶部开裂，10例均意外地从底部破坏，尽管焊缝顶部应力水平比焊缝底部高出5%。其中有一个小的伴随顶部开裂。基于两个系列试验测试结果，得出在正交异性桥面板承受弯曲荷载，肋不承受荷载情况下，焊缝底部开裂超过顶部开裂。

Mori等（2006）的足尺疲劳试验在固定点加载和Kawabata等的动荷载作用下，桥面板厚12和14mm的OSD试件结果显示了底部和顶部的疲劳裂纹。Kawabata等（2006）认为，顶部开裂是由于荷载位置和未铺砌的桥面板表面无负荷分布引起的。Sim等（2009）报道了底部和顶部裂缝，顶部开裂似乎占优势。请注意，他们的测试是在一个固定的加载点和铺设了桥面板。

典型的微裂缝如图6所示。疲劳裂纹的路径几乎是垂直于桥面板。对于WMT细节，焊接材料不完全融合，似乎有所重叠。疲劳裂纹的产生和传播是在电熔焊金属的底部，在图6（b）和7所示。

如图8和9所示，一个典型的WMT试件和80%PJP_P试件的疲劳断口。观察到小的半椭圆疲劳裂纹沿焊缝底部发展。有人提出，如果桥面板底部疲劳裂纹发生在正交异性桥面板肋板焊缝的位置，那么在车轮位置下的焊缝其他地方也可能有疲劳裂纹。

小疲劳裂纹萌生后，联合起来，形成较大的裂缝，通过厚度和侧面方向传播。较大的裂缝形成半椭圆形状。在最终的破坏中，裂纹深度达14～15mm，大约的桥面板厚度的90%。从焊缝底部开始，疲劳裂纹似乎已加入到一系列的桥面板上表面的小裂缝中，形成一个贯穿的厚度裂纹来切断铜线。这种看法是类似于以前的12 和 14mm厚的桥面板疲劳试验（Yamada和Ya 2008a；Ya等2009），

Ono等人（2009年）做的12mm厚桥面板的足尺模型试验表明，桥面板底部裂纹到达桥面板可能需要一些时间，即使它最终也几乎到达表面。Kawabata等人（2006年）做的12和14mm厚桥面板报告中没有出现桥面板表面裂缝。Sim等人（2009）的16mm厚桥面板足尺模型试验也表明，疲劳裂纹似乎在桥面板厚度的一半左右时就被阻止了，他们并没有出现在桥面板上表面。因此，足尺模型往往表明，一个较厚的桥面板可以阻止疲劳裂纹到达桥面板表面。

桥面板小尺寸试验模型疲劳裂纹最终贯穿桥面板破坏，但他们不会发生在足尺试件中。差异的原因是清楚的，但有如下的建议。小尺寸模型试件试验脉动应力状态（0

80%PJP_W试件的断裂面显示三个染料标记的位置。它们只存在于WMT点下面，如图10所示。在WMT试件断裂表面上同样可以看出，如图11所示，两条疲劳裂纹似乎已经愈合，每条裂缝的中心位于WMT点附近。图12所示的是 80%PJP&WMT的试件的疲劳断面， 观察到WMT端最终的疲劳裂纹。从这些结果看出， WMT的存在可能会影响试件疲劳裂纹的萌生。因此，将疲劳试件重组（见表1）：80%PJP（不存在WMT点）正如（1）80%PJP，包含四个试件，其他是（2）WMT，包含16个试件。

80%PJP和WMT疲劳强度的比较

（1）80%PJP和（2）WMT的疲劳试验结果列在表2和图13中。焊缝底部应力幅从测得的应力幅线性插值计算得到 ，如图13所示。已经定义的试样的疲劳寿命是疲劳试验结束时的周期数量。AASHTO标准（2004年）疲劳设计曲线和日本钢结构协会也绘制设计曲线（JSSC1995）以供参考。请注意，有八个AASHTO标准和JSSC规格设计曲线，但每个曲线在2×106周期和剪切限制下有不同的疲劳强度。

两个试件进行以2×107次循环测试，没有任何疲劳开裂的迹象。染料标记检测用于每个疲劳试验结束时更高的应力范围前的试件破坏复检。在疲劳断裂面没有观察到染料标记。这意味着在复检之前不存在疲劳裂纹。在2×107周期时得到的数据被称为“跳动”，不包括在回归分析中。

如图13，（1）80%的PJP数据略高于（2）WMT数据。设置S-N曲线的斜率为-3（设计S-N曲线的斜率），进行回归分析，平均S-N曲线和标准偏差也参看图13。与平均回归线相比，（1）80%PJP疲劳强度比（2）MWT略高，即在循环2 ×106次时数据为114MPa比111MPa。这一结果似乎与Mori（2003）单面焊接高熔深率试件疲劳强度往往比低熔深率小的结论一致。但是应当注意，（1）80%PJP的测试数据只有四个，疲劳试验结果固有的离散性是很大。两组测试数据更可能在正常的离散中，因此，两个细节似乎有可比的疲劳强度。请注意，Sim等（2009）也没有对WMT对正交异性桥面板焊缝疲劳阻止的影响作出结论。

采取负斜率-3，对S-N曲线回归分析，在循环2×106周期时疲劳强度分别为93和111MPa。 疲劳强度下限满足 AASHTO规范的设计C类（循环2×106次时89MPa）或JSSC的E类（循环2×106次时80MPa）。

疲劳试验结果适用性的讨论

研究是基于焊缝底部承受弯曲应力幅和肋不受荷载下的正交异性桥面板的S-N曲线。 为了保持一致性，定义疲劳强度对在相同荷载下焊缝疲劳寿命评估是有效的。

在一个带U肋的正交异性钢桥面下，应力行为复杂，因为U肋是封闭的所以焊缝底部应力幅决定性因素难解。试图证明疲劳试验结果在U肋疲劳寿命评估中的应用，有如下步骤。 首先，弯曲应力是在桥面板中（Ya 和 Yamada 2008年）占主导地位，弯曲应力在疲劳试验中占主要部分是符合测试条件的 。 其次，当肋壁承受弯曲应力，破坏发生在焊缝颈部，而不是在桥面板上（Ya等2009）。 我们关心的是桥面板的疲劳裂纹。 因此，肋壁的弯曲似乎与桥面板开裂无关。第三， 对使用了27年的OSD桥梁进行应力测试， 该桥桥面板厚12mm， U肋厚8mm，调查肋壁力的作用下肋板焊缝疲劳寿命（Murai等2008）。 应变片贴在肋板焊缝位置，如图14所示。当U肋在荷载作用想扭曲并表现成一个框架的状态，弯矩可在交叉点平衡（即，Min+ Mout + Mr = 0）。 作为Mout和Mr可以从测量的应变计算得到，Min可使用这个平衡方程计算，如图 14所示的弯矩分布在弯曲的焊缝底部，Mroot，在交叉点比弯曲低，Mr，保守的，Min可用来计算疲劳寿命评估的应力幅。这种疲劳寿命与通过离桥面板焊缝顶部5mm粘贴应变计计算得到的疲劳寿命相比。 后者与不考虑肋壁受力情况时相同。 请注意，在日本应变计往往粘在离焊缝顶部5mm 的地方。 Murai等人（2008年）发现，上述两种情况在疲劳寿命上有约10%差别。 因此，虽然考虑到了肋壁的弯曲， 但是肋与桥面板焊缝疲劳寿命的预测会改变 10%，换句话说，U肋的受力会有一定的影响。 尽管在12mm厚的桥面板上观察到这一结果，但可以认为在16mm厚的桥面板上能与获得类似的结果，因为较厚的桥面板比肋壁有更高刚度和承载力。然而，未来的研究可能需要解决这个问题。 前面所讨论的应用到评估U肋疲劳寿命中的三个论点表明 定义的疲劳强度可能用于U肋焊缝疲劳寿命的预测；桥面板破坏能被预测到，因为肋壁所受的力可能会有一个相对较小的影响。 此外，应变计也可用于应变的测量，用于疲劳寿命评估就更简单。这样的做法可作为桥梁维修工程师的首选方法。

结论和讨论

对从足尺模型上切下来的宽300mm的试件进行的疲劳试验结果归纳如下。

小尺寸试件焊接条件的观察

三个焊接条件（80%PJP，MWT，80%PJP&MWT） 计划采取类似于在足尺模型中SAW程序制作的肋与桥面板焊缝。 检查切割下来的试件时发现一半80%PJP试件存在 WMT点（80%PJP_W）。 证明控制底部焊接条件似乎很困难。

观察底部和顶部开裂的倾向性

底部疲劳开裂占主导地位，而不是在300mm宽桥面板试件承受循环弯曲应力和U肋不受力试验中所观察到的顶板开裂占主导的情况。然而，在16mm厚桥面板足尺模型试验中观察到的主要是顶部开裂，而不是底部开裂（Simet等，2009年）。在日本， 12和14mm厚桥面板足尺模型疲劳试验结果表明在底部和顶部都有开裂，但在日本一直没有实际的12mm桥面板 OSDs顶部开裂的报告。

焊接熔透的影响

80%PJP_W，WMT，和80%PJP&WMT的破坏面表明，WMT可能会影响疲劳裂纹的萌生；因此，他们被分为一组，即（2）WMT在S-N曲线，（1）80%PJP（没有任何存在 WMT）的似乎是比（2）WMT略高，但更可能是正常的离散疲劳试验结果造成的不同，因此，二者的疲劳强度应具有可比性。

致谢

感谢Uang Chia-Ming教授、UCSD的Sim Hyoung-Bo先生以及名古屋大学的Hanji Takeshi博士，在将试件从UCSD切割和运送到名古屋大学中的合作。 非常感谢Nippon钢材名古屋厂和日本钢铁联盟的财政支持。 第一作者感谢在名古屋大学学习期间日本政府提供的奖学金支持。