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正交异性钢桥面板肋-板焊接接头疲劳评估
SamolYa1、KentaroYamada2和ToshiyukiIshikawa3
摘要：本研究报告了300毫米宽试件的疲劳试验结果，包括三个细节：80%部分焊透（80%PJP）、焊透（WMT）和两者。从16mm厚桥面板的全尺寸正交异性桥面板试样中切取试样。在疲劳试验中，桥面板承受循环弯曲载荷，肋骨不受载荷。疲劳断口分析表明，WMT的存在可能影响疲劳裂纹的萌生。观察到根部开裂而不是脚趾开裂的倾向。在S-N图中绘制疲劳试验结果表明，WMT试样的疲劳强度似乎略低于80%PJP试样，但差异更可能在试验数据的通常分散范围内，这意味着两个细节具有可比的疲劳强度。本试验结果符合JSSC-E（2times;106循环时80mpa）或AASHTO-C（2times;106循环时89mpa）的S-N曲线。DOI:10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0000181。copy;2011美国土木工程师学会。
CE数据库主题标题：正交异性；桥面；钢；焊接；接头；弯曲；开裂；疲劳寿命。
作者关键词：正交异性钢桥面板；肋-板连接；疲劳强度；板弯曲；疲劳裂纹；疲劳寿命。
介绍
带封闭肋（槽肋）的正交异性钢桥面板由于其整体重量轻、架设速度快、承载能力高等优点，在悬索桥、斜拉桥、城市高架高速公路中得到了广泛的应用。在日本，大多数OSD由12mm厚的桥面板组成，桥面板上铺设60–80mm厚的沥青路面，以及许多纵向标准尺寸的封闭肋（即320mm宽、240mm高、6或8mm厚），由间隔2到4.5m的横梁支撑（Shinohara1990）。封闭肋通常用6mm焊脚的角焊缝焊接到桥面板上，并且需要一些焊透。在日本道路协会规范（JRA2002）中，要求焊缝熔深为肋条厚度的75%。一旦使用了标准细节，就不需要进行疲劳评估。请注意，LRFD桥梁设计规范（AASHTO2004）要求肋-桥面板接缝采用80%部分接头熔透坡口焊。
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1 桥梁工程师，TakigamiSteelConstruction，1-1，Shinmeicho，Handa，Aichi，475-0826，Japan；前，名古屋大学研究生，Furocho，Chikusaku，Nagoya464-0863，Japan（通讯作者）。电子邮件：yasamol@takigami-grp.jp 2 名古屋大学环境工程与建筑系名誉教授，日本名古屋市千古町福罗町464-0863，日本中部日本公路工程名古屋株式会社高级顾问。， 日本，名古屋，中谷，西市，460-0003 3 京都大学城市管理系助理教授，地址：Kyotodaigagakukatsura，Nishikyoku，京都615-8540；曾任名古屋大学助理教授，地址：Furocho，Chikusaku，名古屋464-0863 注意。本稿于2009年3月5日提交，2010年9月3日批准，2010年9月10日在线发表。讨论期开放至2011年12月1日；个别论文必须单独提交讨论。本文是《桥梁工程学报》2011年7月1日第16卷第4期的一部分。copy;ASCE，ISSN1084-0702/2011/4-492–499/$25.00。 |
文献综述
直到最近，在日本（Mikietal.2005；Yugeetal.2004）还经常报告OSD肋-板连接处的两种疲劳裂纹，这是三种可能的疲劳裂纹中的一种，如图1所示。近十年来，有关叶根裂纹的报道引起了人们的广泛关注。裂纹萌生点位于焊缝根部和封闭肋内部，给检验带来困难。一旦裂缝通过桥面板扩展，它会影响沥青路面，从而影响在其上行驶的车辆的安全。到目前为止，日本已经进行了深入的研究。例如，Mizuguchietal.（2004）提出了一种新的OSD肋板间细部，其中，桥面板厚1.5倍，封闭肋板比细部所用肋板大约1.5倍一些新桥重新启用了新的细节在连接东京和名古屋的新都美高速公路上。Miki等人（2005）通过有限元分析表明，桥面板弯曲刚度小可能是疲劳裂纹的主要原因。通过全尺寸试验，Ono等人（2009）提出了钢纤维混凝土（SFRC）用于现有OSD的改造/修复，Kodama等人（2010）报告了SFRC在实际OSD中的应用。Ya和Yamada（2008）以及Xiao等人（2008）表明，使用厚桥面板（~16mm）可能会提高肋-桥面板接头的疲劳耐久性。有关日本OSD的更多文献综述可在其他地方找到（Machida等人，2004；Yamada和Ya，2008b）。
根部焊缝裂纹在根部萌生并通过焊喉扩展，早有报道，并为修复目的进行了许多试验研究（Maddox1974a）。这些疲劳裂纹的主要原因是焊缝厚度不足。增加喉部厚度可以防止这种开裂（Maddox1974a；Ya等人，2009）。
如图1所示，从焊趾开始并扩展到桥面板的趾板裂纹，迄今为止在日本还没有报道。然而，在全尺寸疲劳试验中观察到了这些现象（Mori等人，2006年；Kawabata等人，2006年）。在Lehigh大学进行的全尺寸疲劳试验中，使用了16mm厚的桥面板，从接头根部报告了疲劳裂纹（Tsakopoulos和Fisher，2003年）。最近的全尺寸疲劳试验
由Sim等人（2009）在加利福尼亚大学圣地亚哥分校（UCSD）进行的16mm厚的桥面板试验表明，主要疲劳裂纹来自焊趾，而不是肋条与桥面板接头的焊根。在小规模疲劳试验中，报告了脚趾和根部裂纹（Maddox1974b；Ya等人，2008）。在Yamada和Ya（2008a）进行的试验中，也报告了焊趾的一些裂纹，尽管在疲劳试验之前，焊趾是用圆盘磨床粗略研磨的。
在Sim等人（2009）的疲劳试验中，研究了焊缝熔透（WMT）对肋-桥面板接头疲劳强度的影响，但由于试验数据较少，没有得出明确的结论。注意，WMT是一种焊接状态，在这种状态下，电弧熔化的焊接材料进入封闭肋的内部。当使用薄肋板（约8mm厚）并打算进行高渗透时，可能会在制造过程中发生这种情况。
研究范围和目标
本研究的目的是展示基于300mm宽试样的疲劳试验结果，这些试样是从Sim等人（2009）疲劳试验中使用的一些全尺寸正交异性桥面试样中切下的。疲劳试验是模拟桥面板的疲劳裂纹，施加板弯曲应力范围，以观察疲劳裂纹行为，并在S-N图中获得可能有助于疲劳寿命评估的基本试验结果。文中还讨论了小尺度试验与全尺度试验的比较。
疲劳试验
密肋-桥面板节点板弯曲疲劳试验的基本概念
有限元分析表明，在车轮荷载作用下，桥面板的弯曲应力占主导地位。为了模拟桥面板（试样的主板）中的疲劳裂纹，向桥面板施加循环弯曲应力，而肋骨保持自由，正如Yamada和Ya（2008a）以及Ya等人（2008）之前所做的那样。当对肋板施加循环弯曲应力时，如果焊喉厚度与肋板厚度之比小于1.5，则焊喉可能发生疲劳失效；否则，肋板侧焊趾可能发生失效（Ya等人，2009）。
试样
如图2所示，300mm宽的试样是从三个足尺试样上切下的，这三个试样以前曾在UCSD的疲劳试验中使用过（Sim等人，2009）。肋板到甲板的接缝
为了避免先前加载的任何影响，在远离加载位置的位置选择要切除的部分。16mm厚桥面板的全尺寸试件长10m，宽3m，有4根封闭肋，厚8mm，3根横梁。肋板到甲板的焊接接头有三种焊接条件：（1）80%部分焊透（80%PJP）；（2）焊接熔透（WMT）；（3）沿接头每1m交替焊接条件1和2。焊接接头采用埋弧焊工艺（SAW）制造。钢材符合ASTMA709345级标准。
全尺寸试样在有或无预烧的情况下制作，但选择无预烧的试样切割成当前试样。预烧是一种技术，用于在OSD制造过程中尽量减少甲板板重复热矫直的需要（Yanagihara等人，2006年）。
制备了20个具有三种不同细节的样本：（a）8个80%PJP；（b）6个WMT；和（c）6个80%PJP和WMT，其中80%PJP和WMT各150mm宽，如图3和3所示
表1。为了研究足尖和根部开裂，将试样分为两个系列，每组10个试样，即D16R8和D16T8，分别用于根部和足尖研究。表1显示了测试程序。
图3。焊透条件：（a）80%PJP；（b）WMT；（c）80%
PJPamp;WMT；（d）80%PJPamp;WMT样本的照片
表1。测试程序
焊接条件和试样数量
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试验系列 |
初始测试程序 |
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D16R8型 |
（a）80%PJP[4]（b）全脂奶粉[3] |
（c）[3条] |
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D16T8型 |
（a）80%PJP[4]（b）全脂奶粉[3] |
（c）[3条] |
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焊接条件检查后 |
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D16R8型 |
（a1）80%PJPUP[2]（a2）[2]（b）全脂奶粉[3] |
（c）[3条] |
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D16T8型 |
（a1）80%PJPUP[2]（a2）[2]（b）全脂奶粉[3] |
（c）[3条] |
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疲劳断口观察后 |
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两者 |
（一）80%PJPUP[4]（II）全脂奶粉[16] |
注：【】=试样数量；（a2）=80%PJPUW；（c）=80%PJP和WMT。
然而，目视检查显示（a）80%PJP的八个样本中有四个有一些WMT斑点。因此（a）80%PJP组又分为两个亚组，即（a1）80%PJP-P组（不含任何WMT）和（a2）80%PJP-W组（含部分WMT）。WMT和80%PJPamp;WMT组沿着焊缝呈现粗糙外观，如图3（d）所示。
疲劳试验设置和程序
疲劳试验使用两台基于振动的疲劳试验机进行（Yamada等人，2007），示意图如图4所示。振动棒内偏心质量的旋转对试样产生循环弯曲载荷。采用变频器控制电机的转速，通过变频器可以改变加载速度和施加应力的范围。单独使用振动器只能产生一个交变应力条件，Rfrac14;1（R=应力比）。利用螺旋弹簧产生的静态力，应力比可以调节。一台或多台动态应变记录仪和一台个人计算机用于在整个疲劳试验过程中监测应变。
疲劳试验装置如图5所示，其中一个用于模拟根部甲板裂纹，另一个用于模拟趾板裂纹。在每个试验装置中，靠近固定端的应力范围都高于加载点。在这项研究中，应力比R设定在0.2左右，加载速度设定在20hz左右。
六个单轴应变计粘在桥面板上，距离焊趾/焊根5mm，如图2所示。有限元分析表明，测点处的应变不受焊缝几何形状的影响。
对一些试件进行了着色渗透（DP）和海滩标记（BM）试验，以确定裂纹的形状和尺寸
对于疲劳裂纹萌生和扩展行为的检测很重要的断裂面可以在以后得到。当在其中一个应变计上观察到应力范围的微小变化小于5%时，通过向焊缝根部/趾线施加高渗透性蓝色墨水来执行DP试验。墨水在断口上留下一个或多个痕迹（即染色痕迹），疲劳试验后可以观察到这些痕迹。在裂纹扩展的后期阶段，通过将施加的应力范围降低15sim;30%约105个循环，进行一次或多次BM试验。应力范围的减小导致不同的裂纹扩展速率，然后在断裂面上出现同心标记（海滩标记）。海滩标志试验的循环次数不包括在所报告的试样疲劳寿命中。
将直径为0.04mm的铜线粘在试样表面，以检测裂纹出现在桥面板表面时从根部/脚趾开始的位置。这些铜线被连接到一个控制盒上，以便在裂缝切断它们时停止振动器。该阶段的循环次数定义为试样的疲劳寿命。
疲劳试验结果
疲劳裂纹萌生/扩展行为
在D16R8系列中，所有10个试样均按计划因根部甲板裂纹而失效。一个有一个小的伴随脚趾甲板裂缝95毫米宽
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