超声波锤击对钢桥构造细节疲劳性能的影响

王 丽,赵欣欣

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

随着我国客运专线铁路建设的不断发展，数座跨越长江、黄河的大跨度铁路钢桥相继落成。这些桥梁大体可分为梁拱体系和梁索体系，当跨度<400 m时，结构形式以钢桁拱桥为主，如南京大胜关长江大桥；当跨度>400 m时，结构形式以斜拉桥为主，如沪通铁路长江大桥。主梁均采用2片或3片主桁的钢桁梁结构。为满足多线铁路高速行车以及公铁路合建的要求，新建大跨度钢桥采用了大量的新材料、新构造和新工艺，在结构设计之初，其关键构造的疲劳性能就成为学界的研究热点。对于有些在设计中疲劳强度较低但又无法避免的构造细节，采取超声波锤击的方法以改善疲劳性能成为大跨度钢桥建设中首选方案。本文研究针对十字形熔透焊接构造(传力型)和焊接盖板构造2种新型构造细节，开展超声波锤击对其疲劳性能的影响试验，为新建大跨度钢桥新型构造细节的设计和施工提供依据。

1 国内外相关规范规定

1.1 十字形熔透焊接构造

欧洲规范Eurocode 3[1]中对于十字形熔透焊接构造(传力型)分为多种不同板厚组合的情况。美国规范AREMA(2010)[2]中对十字形焊接构造的焊缝是否熔透未予区分，2种构造均采用同一等级的疲劳强度。我国TB 10002.2—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》[3]中对十字形熔透焊接(传力型)构造的疲劳强度未予规定。我国铁运函[2004]120号《铁路桥梁检定规范》[4]与美国规范相同，对十字形焊接接头是否熔透也未予区分，统一规定其200万次疲劳强度为65 MPa。事实上这是不合理的，非熔透十字形焊接构造的疲劳强度较低，这一点已经在相关研究中予以验证[5]，其试验200万次疲劳强度仅为50.8 MPa，用于设计时还需进行一定的折减。Eurocode 3中非熔透十字形焊接(传力型)构造的200万次疲劳强度仅为36 MPa。各国规范该类构造的S-N曲线见图1。其中Eurocode 3中选择80 MPa等级的同类构造进行比较，这是因为该等级是钢桥构造中常见的尺寸。 AS 5100是澳大利亚桥梁设计规范[6]。

图1 各国规范中十字形熔透焊接构造(传力型)的S-N曲线

从图1中可以看出：200万次及以下疲劳强度最大的是AREMA，其次是Eurocode 3,AS 5100，我国桥检规最小。AREMA未对200万次以后的疲劳曲线予以规定，仅规定了超过200万次后采用的截止限值，图中按此处理。AS 5100对于长寿命周期的规定与Eurocode 3相同。我国设计规范中对于长寿命周期的疲劳强度未作规定，绘制本图时参考Eurocode 3的规定执行。AS 5100,Eurocode 3和我国规范的疲劳曲线规律相同。

1.2 焊接盖板构造

Eurocode 3和AREMA对于焊接盖板构造疲劳强度的规定依据不同的板厚组合分为不同的情况。各国规范中该类构造的S-N曲线见图2。

图2 各国规范中盖板焊缝构造的S-N曲线

从图2中可以看出：各国规范对于盖板焊缝构造的疲劳强度规定相差较大，200万次疲劳强度从36 MPa 变化至80 MPa，其中我国规范值明显高于其他国家。

2 疲劳试件设计

在结构设计中，主桁节点作为钢桁梁关键受力、传力部位，受力较大且较为复杂，其上各种构造细节的疲劳性能需要予以特别关注[7]。以往的大跨度斜拉桥对于整体节点的处理方式是：节点板整体穿过弦杆顶(底)板，节点板与弦杆顶(底)板之间采用塞焊的方式，这种构造的疲劳性能在以往的疲劳试验中已经得到验证。近年来，产生了一种新型处理方法，即将节点板在下弦顶板部位断开，通过熔透焊分别接于下弦顶板的上下两侧。Eurocode 3和AREMA中对该构造分别承受竖向力和纵向力时，不同板厚组合情况的疲劳强度进行了规定。我国规范TB 10002.2—2005中未对该类构造的疲劳强度进行规定。

对于跨度较大的斜拉桥结构体系，传统的处理方式是斜拉索通过锚拉板在弦杆外部与弦杆相连。近年来由于有些桥梁受空间限制等，部分斜拉桥的斜拉索锚固于弦杆内部，在斜拉索穿出弦杆部位通过焊接盖板对弦杆局部进行加强。Eurocode 3和AREMA分别对不同板厚组合下相似的该类构造细节的疲劳强度进行了规定，在数值上均小于我国规范。我国规范TB10002.2—2005中该构造的疲劳曲线是根据板梁在受弯状态下的疲劳试验制定的。该构造位于斜拉桥的弦杆上，承受着较大的全截面轴向拉应力，而一般来说，全截面受拉的疲劳性能比受弯的情况更为不利。

鉴于上述情况，设计了十字形熔透焊接试件(传力型)和焊接盖板试件，对其进行原试件和超声波锤击试件的疲劳试验[8]。目的是：①掌握2种构造细节的疲劳性能，提出疲劳抗力设计指标；②掌握超声波锤击对于其疲劳性能的影响，为大跨度钢桥的设计和施工提供依据。试件设计如图3。

图3 试件设计(单位：mm)

3 疲劳试验

3.1 试验概况

试验在中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室桥梁结构试验室的日本鹭宫±2 000 kN 液压伺服疲劳试验机上进行。

由于试件均为焊接构造，疲劳仅与施加的荷载幅值有关，同时为使施加的荷载不引起加载设备反向，产生不必要的误差，在本次疲劳试验中各试件加载均采用拉-拉循环加载。发现裂纹后，定时记录裂纹扩展情况和对应循环次数，继续疲劳加载至试件断裂[9]。最终记录的应力循环次数以试件断裂时的次数为准。统计分析的加载应力幅为试件的名义应力幅，依据试件破坏截面的公称尺寸计算。

3.2 疲劳试验结果及分析

3.2.1 十字形熔透焊接构造

对于十字形熔透焊接构造共进行了7个原试件、3个超声波锤击试件的疲劳试验。试件均在受力板焊趾处断裂，如图4，典型断口照片如图5。锤击与否对断裂位置和断口形式基本没有影响。

图4 试件断裂位置图5 试件断口

2类试件疲劳试验结果见图6。图中“超”表示试件经过超声波锤击。

图6 十字形熔透焊接试件的疲劳试验结果

对7个原试件的试验数据进行回归分析，得到其试验回归曲线为

lgN=12.301-3.005lgσ

(1)

式中：N为疲劳循环次数;σ为疲劳应力幅。式(1)中200万次的疲劳应力幅为99.19 MPa。

对3个超声波锤击试件的试验数据进行回归分析，得到其试验回归曲线为

lgN=26.238-8.561lgσ

(2)

式(2)中200万次的疲劳应力幅为213.19 MPa。

可以看出，对于十字形熔透焊接试件，超声波锤击后200万次疲劳强度是原试件的2.1倍。同时与S-N曲线斜率相关的m值从3.005增加到了8.561，曲线的斜率明显减小。该现象表明构造细节应力幅越小超声波锤击对其改善效果越明显,构造细节应力幅越大超声波锤击对其改善效果越不明显。对于本试件，当名义应力幅达到298.3 MPa、对应次数为 115 213 次时，超声波锤击对其疲劳性能没有改善。

3.2.2 焊接盖板构造

图7 原试件断裂位置

对于焊接盖板构造共进行了6个原试件、3个超声波锤击试件的疲劳试验。原试件均从椭圆形盖板长轴端部焊趾处起裂，之后沿着焊趾发展到一定程度后，转而沿着水平方向发展，直至断裂，如图7。超声波锤击后试件的断裂位置较为离散，有的从试件中部位置处断裂，有的从盖板端部焊趾处断裂，有的从夹持部位断裂。可以看出，锤击与否对该试件的断裂位置有一定影响。

2类试件疲劳试验结果见图8。

图8 焊接盖板试件的疲劳试验结果

对6个原试件的试验数据进行回归分析，得到其试验回归曲线为

lgN=12.695-3.441lgσ

(3)

式(3)中200万次的疲劳应力幅为72.16 MPa。

对3个超声波锤击试件的试验数据进行回归分析，得到其试验回归曲线为

lgN=19.773-6.098lgσ

(4)

式(4)中200万次的疲劳应力幅为161.94 MPa。

可以看出，对于焊接盖板试件，其试验200万次疲劳强度介于我国桥检规的上下限之间，与设计规范较为接近。按照一般设计疲劳强度的制定方法，在纳入规范时应在试验值的基础上考虑不可预见的因素，将试验值适当降低来作为设计疲劳强度。总体来说，该构造疲劳强度较低，建议进行超声波锤击。超声波锤击后200万次疲劳强度是原试件的2.2倍。同时与S-N曲线斜率相关的m值从3.005增加到了6.098，曲线的斜率明显减小。这一规律与十字形熔透焊接(传力型)构造锤击后的疲劳性能是相同的。对于本试件，当名义应力幅达到401.0 MPa、对应次数为 8 000 次时，超声波锤击对其疲劳性能没有改善。

4 结论和建议

1)对十字形熔透焊接构造(传力型)和焊接盖板构造2种构造细节开展疲劳试验，掌握了其疲劳破坏方式，制定了疲劳设计S-N曲线。对于焊接盖板构造，综合试验结果和国内外规范，该构造疲劳强度相对偏低，因此建议对椭圆形盖板长轴焊趾端部一定范围内进行超声波锤击，以改善其疲劳性能。

2)超声波锤击对于构造细节的200万次疲劳强度有较大程度的提高，2种构造细节在锤击后疲劳强度为原试件的2倍以上；但是超声波锤击后S-N曲线斜率明显减小，当应力幅越来越大时，超声波锤击对疲劳性能的改善越来越不明显，即超声波锤击并不是在任何状态下都能改善构造细节的疲劳性能。这与以往对于超声波锤击能够改善疲劳性能的笼统认识是不同的。由这种趋势可知，当外加应力幅增大到一定程度时，超声波锤击不会改善构造细节的疲劳性能。这一点在以往的研究中也得到过证实。

3)超声波锤击改善疲劳强度的原理是通过锤击使焊接部位产生残余压应力，定性来说，当外加应力幅较小时，该部位仍处于受压状态，有效改善了其疲劳性能；当外加应力幅增大到一定程度时，克服了残余压应力，使该部位处于受拉状态，因此疲劳性能改善不明显。在今后的研究中，应对超声波锤击前后的残余应力进行测试，以便定量地解释这一现象，为制定合理的超声波锤击工艺提供依据。

[1]BS EN 1993-1-9:2005.Eurocode 3: Design of steel structures—Part 1-9：Fatigue[S].Brussels:CEN,2005.

[2]American Railway Engineering and Maintenance- of-Way Association(AREMA).Manual for Railway Engineering[S].AREMA:Landover,Md,2010.

[3]中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[4]中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号 铁路桥梁检定规范[S].北京:中国铁道出版社，2004.

[5]中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.重载铁路线桥设备重点安全技术研究——京广线既有钢桥适应大轴重重载运输的关键技术研究分报告之四：京广线既有钢桥疲劳评估技术研究[R].北京:中国铁道科学研究院,2015.

[6]AS 51006—2004 Bridge Design Part 6：Steel and Composite Construction[S].Sydney:Standards Australia International Ltd.,2004.

[7]刘晓光.铁路钢桥疲劳研究进展[J].铁道建筑，2015,55(10):19-25.

[8]何柏林，于影霞，余皇皇，等.超声冲击对转向架焊接十字接头表层组织及疲劳性能的影响[J].焊接学报，2013,34(8):51-54.

[9]薛志杰,蒋永升.大跨度钢桥主桁箱形杆件疲劳性能分析[J].铁道建筑，2013,53(4):6-8.