李佳，杨清梅

（同济大学，上海 200092）

装配式波纹钢腹板组合箱梁足尺疲劳模型试验研究

李佳，杨清梅

（同济大学，上海 200092）

装配式波纹钢腹板组合箱梁是一种新型桥梁结构体系，目前尚无波纹钢腹板疲劳性能评估方面的系统的理论，需要通过试验研究来评估其疲劳性能。在总结分析国内外相关研究成果的基础上，对一片足尺疲劳试验梁进行了双点加载疲劳试验，并分析了疲劳加载对其结构性能的影响。结果表明：在相同荷载工况下，随着疲劳加载次数的增加，跨中截面底板正应力逐渐增大，顶板正应力逐渐减小，同时跨中挠度逐渐增大。试验梁在加载至985万次时发生开裂。文章记录试验梁开裂时关键细节等效应力幅σR以及对应循环次数N，并将疲劳试验得到的结果和JT规范相比照。

桥梁；波纹钢腹板；疲劳试验；疲劳寿命；足尺模型

1 试验背景

在梁桥中使用波纹腹板能够实现足够的平面外刚度和抗屈曲能力而无须使用加劲肋或者加厚腹板。这类梁最初是在飞行器上使用，之后被应用与建筑和桥梁等土木工程。波纹钢腹板组合箱梁腹板采用钢板代替混凝土，可以减轻自重。纵向刚度低，可以解除箱梁腹板与顶底板的相互约束，减小温差、干燥收缩、徐变的不利影响，同时预应力也不会转移到钢板上，预应力施加效率高。波纹钢板抗剪强度较高，可以做的很薄但不用设置纵横向加劲肋［1-3］。

在这些优点的基础上，为了减少浪费，实现桥梁构件的预制化、工厂化、标准化生产，确保施工质量，现提出了一种装配式波纹钢腹板组合钢箱。此充分发挥了波形钢腹板箱梁桥的力学与施工性能优势，工厂化流水线生产制作优势等，具有极大的实用性及创新性。

目前国内对于波纹钢腹板的研究主要集中在抗弯、抗剪、抗扭和稳定性能，对于疲劳性能相关的研究不是很全面。

国内外对波纹钢腹板梁有一定的研究，相关的研究成果有如下几个方面［4-8］。

①波形腹板钢梁的疲劳强度比相对应带加劲肋的平腹板钢梁高约20%～50%。

②波形钢腹板与底板焊缝折角处会出现应力集中，斜折与梁纵向的夹角是影响应力集中的一个主要因素。此外学者还发现，焊缝倾角和折线上曲线半径等几个几何参数对应力集中也有重要影响。研究中发现，波纹钢腹板梁的疲劳萌生位置多在斜折与曲线结合部位附近的焊趾处，沿受拉翼缘横向扩展。

③波纹钢腹板梁关键疲劳细节的疲劳寿命介于AASHTO疲劳设计S-N曲线的B级和C级疲劳细节之间。此外也有学者针对波纹钢腹板钢梁提出了疲劳寿命预测公式。

这些成果对于我们的研究有非常重要的参考价值，但是对于这种新型的装配式波纹钢腹板组合钢箱，没有对应的研究，另一方面对于波纹钢腹板疲劳的研究还不够全面，没有系统的理论可供参考，为了推广这种梁，对其进行疲劳试验是必要的。

2 试验概况

2.1 模型设计

本次实验为了能真实反映此种装配式波形钢腹板组合钢箱梁抗疲劳性能，模型的设计与制作遵循下述要求和原则：①采用 1∶1足尺比例模型；②试验模型采用和实桥相同的材料，焊接和制作工艺也保持相同；③采用和实桥等效的边界条件，包括力边界和约束边界条件。

模型的横截面和波纹腹板的尺寸见图1和图2。梁高1.91m，顶板由0.1m混凝土和6.4mm厚钢板构成，顶板上表面设置剪力键使混凝土与钢板共同工作，顶板下表面与波纹腹板通过焊接连接，焊接方式为人工焊。底板由 6.4mm厚钢套箱和内部混凝土构成，钢套箱内布置剪力钢筋，钢套箱上表面与波纹腹板通过焊接连接，焊接方式为人工焊。

图1 模型梁主梁截面（单位mm）

图2 模 型梁波纹钢腹板（单位mm）

2.2 疲劳实验方案

实验采用两台最大荷载 350kN，动载频率范围为0～10 Hz的疲劳实验机进行双点加载。为了考虑试验梁在公路疲劳荷载作用下的疲劳安全性能，依据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64）使用疲劳荷载模型I和疲劳荷载模型II分别计算关键细节应力，要求疲劳试验中尽可能模拟其应力状态。最后从有限元模拟结果、试验仪器行程范围、试验梁刚度及固有频率等多个方面考虑，确定两台疲劳试验机同步常幅正弦波荷载加载，疲劳加载上限值Pmax=300kN，下限值Pmin=100kN，动载频率3Hz。疲劳试验中，根据预估的疲劳寿命将试验分成多个阶段，每200万次加载一个阶段，每个阶段加载完之后对试验梁停机进行一次静载试验。

图3 试验模型加载示意图

3 试验结果及分析

依据试验方案对足尺梁进行加载，疲劳试验按预期稳定进行，在试验进行至985万次时，在梁跨中段底箱上表面出现裂纹。裂纹从折角附近的角焊缝萌生，然后沿着垂直纵向应力的方向上扩展。典型裂纹如图4所示，此裂纹贯穿应变片FWJ6，应变片记录了此疲劳细节的应力历程。在试验结束后对开裂底箱进行剖切，发现底箱混凝土有开裂。限于篇幅，本文主要通过几个关键测点的测试结果对梁进行分析。

图4 波纹折角疲劳细节裂纹

3.1 挠度

对试验梁每200万次进行一次静力加载，两个液压千斤顶合力从0t到60t梁的挠度曲线见图5。随着疲劳加载次数的增加，梁的挠度有明显的增大的趋势，表明随着疲劳加载次数的增加，梁的刚度逐渐降低。

图5 试验梁沿纵桥向挠度曲线

3.2 应力

不同疲劳加载次数时，距跨中5m截面在顶板，波纹腹板和底板上关键测点正应力的荷载-应力关系曲线如图5所示。由于折扇效应，可以看到波纹腹板上正应力相对顶板和底板很小，随着疲劳加载次数增加加载曲线没有明显变化规律。此截面顶板和底板加载曲线随着加载次数增加没有明显规律性，但是顶板和底板的变化规律具有一定的相关性，在荷载幅相同的情况下，当底板关键测点FJ308应力幅增大时，顶板关键测点FJ305应力幅减少。

跨中截面在顶板，波纹腹板和底板上关键测点正应力的荷载-应力关系曲线如图6所示。波纹腹板的加载曲线变化不大，且没有规律性。但是跨中截面顶部关键测点FJ413，在荷载幅相同的情况下，随着加载次数的增多，应力幅有明显减小趋势。而跨中底部关键测点FJ419则有明显增加趋势。此外跨中截面顶板和底板的变化规律具有一定的相关性，在荷载幅相同的情况下，当底板关键测点FJ419应力幅增大时，顶板关键测点FJ413应力幅减少。表明随着加载次数的增加截面的截面特性发生了变化。

图6 距跨中5m截面关键测点荷载-应力曲线

图7 跨中截面关键测点荷载-应力曲线3.3 试验梁疲劳寿命评估

根据梁开裂部位侧面测点的应力幅值，基于线性疲劳累计损伤理论换算得到裂纹开裂时的等效应力幅值，测点等效应力与实际作用次数的 S-N曲线如图8所示。

图8 试验结果在正应力强度曲线中位置

从图中可以看出，本次实验在 S-N曲线中对应的点在疲劳细节类别80和疲劳细节类别100之间。

4 结 论

①随着疲劳加载次数的增加，试验梁的截面特性发生改变，同样加载条件下，随着试验次数增加，跨中底板应力增加，顶板应力减少。

②随着疲劳加载次数的增加，实验梁的刚度逐渐降低。

③本试验梁关键疲劳细节疲劳寿命介于 JTG疲劳设计S-N曲线的细节类别80和疲劳细节类别100之间。

［1］王倩，贺君，刘玉擎，等.预应力折腹式组合箱梁桥构造特点及分析［A］.第五届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集［C］.2008.

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［3］贺君，刘玉擎，陈艾荣.预应力折形钢腹板组合箱梁桥的发展［A］.第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议专辑［C］.2006.

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U441+.4

A

1007-7359（2016）02-0086-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.031

李佳（1991-），男，湖南益阳人，同济大学在读硕士，研究方向：评定与加固。