摘 要:对重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点的连结构造细节进行了足尺模型疲劳试验.通过有限元分析，选定了试验节点，确定疲劳荷载上限为660kN，下限为50kN.试验实测应力幅为31.33MPa，加载200万次后，试验模型未出现裂纹.试验结果表明，该桥轨道横梁与整体节点的连接构造细节在其使用寿命期间内不会发生疲劳开裂，疲劳强度满足要求.
关键词:公路-轻轨两用桥;钢桥;轨道横梁;整体节点;疲劳试验
近年来，随着钢桥跨度的增大以及焊接技术的成熟，整体节点技术得到了较广泛的运用，如运用最早的孙口黄河大桥、随后竣工的芜湖长江大桥、渝怀铁路长寿长江大桥以及正在施工的重庆菜园坝长江大桥，重庆朝天门长江大桥钢桁拱初步设计也采用了整体节点.钢梁各杆件间的连接均通过整体节点，在节点外用高强度螺栓连接.整体节点构造复杂，焊缝密集，既有对接焊缝，又有棱角焊缝和角焊缝.
对于采用整体节点的大跨度钢桥，疲劳问题受到广泛关注与重视.曾对孙口黄河大桥进行了整体节点模型试验(几何相似比1∶3)，对整体节点技术在孙口黄河大桥上的应用提供了保障[1，2].为了防止芜湖长江大桥整体节点出现疲劳裂纹，保证桥梁安全运营，延长使用期限，也进行了钢梁焊接整体节点疲劳试验(几何相似比1∶4)[3，4].
重庆菜园坝长江大桥为中国首座特大公路-轻轨两用桥，采用预应力混凝土Y型刚构与提篮钢箱系杆拱、钢桁梁的组合结构.系杆拱桥主跨420m，对称布置的边跨和侧跨分别为102m和88m.下层桥面的轨道横梁直接承受轻轨荷载，并将轻轨荷载通过其与整体节点的高强度螺栓连接传递给整体节点，板厚公差与制造公差对高强度螺栓连接的疲劳强度影响很大.此外，整体节点与轨道横梁的连接焊缝(整体节点内部)的疲劳性能也引起设计人员担心.因此，有必要对重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点连接进行疲劳试验，同时为整体节点技术在大跨度钢桥中的应用提供参考.
1 试验方案
1.1 试验模型
轨道横梁与整体节点连接处构造细节的疲劳性能受多种因素影响.鉴于构造细节的疲劳性能与结构尺寸的关系非常密切，而缩尺模型与实际结构疲劳性能之间的关系不易确定，因此采用足尺模型进行疲劳试验(图1).
模型设计按重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点原型，要求模型与实桥结构(原型)的应力分布、应力集中情况和表面条件等尽可能相似.模型包含实桥轨道横梁与整体节点连接的全部构造细节，构造细节的布置与实桥结构相同，采用1∶1的几何模型，模型材质和实桥材质完全相同.通过全桥有限元计算，选取实桥中受力最不利的有代表性的轨道横梁与整体节点进行疲劳试验.由于下平纵联、斜撑杆及斜腹杆的荷载幅值变化相对较小，而且疲劳试验空间加载的难度大且不易控制，模型中去掉了下平纵联、竖杆、斜腹杆及斜撑杆.轨道横梁的长度不是实桥的1/2，而是由轨道横梁与整体节点连接处的弯矩和剪力决定.试验的边界约束条件为轨道横梁梁端简支，下弦杆两端与地面固定.
1.2 试验加载
试验在西南交通大学结构工程试验中心进行，加载设备为美国MTS公司制造的1MN全自动液压伺服疲劳试验机.通过对重庆菜园坝长江大桥的全桥结构分析，结合对该桥的交通流量预测，参考BS5400[5]和AASHTO规范[6]，获得了该桥的疲劳荷载谱.疲劳荷载谱考虑了重庆轻轨列车和六车道汽车荷载.
公路荷载谱的确定:分别按BS5400标准疲劳车式样、典型车式样和AASHTO标准疲劳车3种情况进行计算、比较，结果AASHTO标准疲劳车最为不利.公路荷载的作用次数确定为在该桥使用寿命期内实际交通量的10%.轻轨荷载谱的确定:典型荷载为重庆轻轨标准疲劳车，轴重力90kN，单车重力360kN，轴距与实际车辆一致，初期、近期及远期编组分别为4，6和8辆车.典型荷载的作用次数为在该桥的设计寿命期间内轻轨列车的设计运行次数.
考虑到200万次疲劳加载属于研究习惯，而钢桥疲劳属于变幅、低应力、高循环、长寿命的疲劳范畴.但根据目前的试验设备、技术水平和试验时间要求，通常只能进行常幅疲劳试验.通过Miner线性累计损伤律，将按公路荷载谱和轻轨荷载谱确定的变幅循环应力幅及次数等效为损伤度相同的200万次的常幅循环应力幅.轨道横梁与整体节点连接处疲劳试验200万次的等效弯矩幅为663kN·m，等效剪力幅为388kN.由轨道横梁与整体节点连接处的控制内力幅，换算得到疲劳加载200万次的荷载上限为660kN，下限为50kN.通过计算分析，加载中心点在距轨道横梁简支端3.05m处.
疲劳加载前进行静载试验，静载试验采用逐级加载的方式.荷载分级:50kN→200kN→350kN→500kN→660kN→500kN→350kN→200kN→50kN.
疲劳加载到一定次数后停机，进行(逐级加载的)静载试验，荷载分级与疲劳加载前的静载试验相同，以考察试件是否出现裂纹以及测点应变是否出现突变.
经疲劳预加载，确定加载频率为5Hz.
1.3 试验测试
测点(部分)布置见图2，应变测量采用电测法. 模型上全部布置三向45°应变花.轨道横梁与整体节点连接处附近及有限元分析确定的应力较大处布置较多测点，而其他部位布置少量测点.对连接焊缝附近的测点，尽量贴近焊缝布置应变花;对于高强度螺栓连接部位，在高强度螺栓连接板上布置应变花.
2004年11月19日进行疲劳加载前的静载试验，随后开始进行疲劳加载;11月22日，疲劳加载
279169次后，停机进行静载试验;11月23日、25日和27日，分别疲劳加载至50万次、100万次和150万次后，停机进行静载试验;最后，疲劳加载到200万次后，停机进行静载试验.
疲劳加载前的静载试验表明，模型应力水平较低，加载至最大荷载660kN时，最大主拉应力为31.33MPa，出现在轨道横梁与整体节点螺栓连接板上的L1-2测点;最大vonMises应力为40.47MPa，出现在轨道横梁与整体节点竖向连接板上的B2-6测点.
疲劳加载100万次后，停机进行静载试验.加载至660kN时，最大主拉应力为14.83MPa，出现在轨道横梁与整体节点竖向连接板上的B2-1测点.疲劳加载200万次后，停机进行静载试验，加载至660kN时，最大主拉应力为17.12MPa，出现在轨道横梁与整体节点螺栓连接板上的L1-2测点.可见，模型的疲劳应力幅水平较低(图3).每次静载试验时，模型主拉应力基本呈线性变化，各次静载试验加载至最大荷载660kN时，主拉应力数值差别不大(图4).疲劳加载前后静载试验的应力值有差异，这可能是由于试件未与地面接触密实、边界条件有所改变所致.从结构安全方面考虑，选取试验实测的最大主拉应力，将轨道横梁与整体节点焊接连接及螺栓连接细节的实测应力幅确定为31.33MPa.
对试验模型建立了有限元计算模型(图5)，计算结果见图6和表1(σ和σ分别为实测应力与计算应力).由于下弦杆两端采用钢绞线锚固在试验台座顶板，计算了3种边界条件，将钢绞线视为简支、固接和弹簧，最后选取了误差较小的弹簧边界的计算结果.从图6和表1可见，模型应力水平低.由于边界条件、焊缝和螺栓连接板与计算模型有差异，因此，实测值比计算值略大.
3 疲劳强度安全性评价
3.1 根据试验结果评价
从疲劳试验过程中静载试验的应力来看，绝大多数测点的主拉应力小于10MPa，少数测点的主拉应力接近30MPa，实测拉应力远低于各种构造细节的疲劳强度.另外，整个疲劳试验过程中未发现试件有异常现象，静载试验停机检查试件，也未发现裂纹.200万次疲劳试验后，对试件进行检查，未发现裂纹.按疲劳破坏的一般判断标准(即出现肉眼可见的裂纹)，从试验结果看，重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点连接的疲劳强度在其使用寿命期间内不会发生疲劳破坏.
3.2 根据规范评价
国内外钢结构桥梁设计规范都针对各种典型的焊接或非焊接连接细节给出了相应的疲劳容许应力.
对于轨道横梁与整体节点的连接焊缝，按我国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025—86)，属于横向角接焊接头7.1a类，容许应力类别为D类，考虑应力比介于0~-1之间，则疲劳容许应力幅为90.6~145.0MPa;按中国《铁路桥梁检定规范》(2004)，属于传力型的十字型焊接接头4(1)类，基准疲劳强度等级为65.0MPa;按英国BS5400规范，细节等级F对应的熔透焊连接细节，200万次97.7%保证率下疲劳强度为68.2MPa[5];按欧洲钢结构协会(ECCS)《钢结构的疲劳设计规范》，完全熔透十字型接头承载焊缝(细节类型71)，200万次97.7%保证率下的疲劳强度为71.0MPa;按美国公路桥梁设计规范(AASHTO1994版)，细部分类C的常幅疲劳临界值为69.0MPa[6];按日本本州四国联络桥上部结构设计标准及解说，对于垂直应力方向有K形焊缝或大填角焊接母材的接头类型，其基本的疲劳容许应力范围C等级规定为105.0MPa.根据我国芜湖长江大桥疲劳试验结果———《芜湖长江大桥正桥钢梁疲劳验算规定》，对于疲劳抗力类别Ⅻ熔透十字型传力焊缝，200万次的疲劳容许应力为70.7MPa.
对于轨道横梁与整体节点的高强度螺栓连接细节，按我国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025—86)，属于高强度螺栓连接3.2a类，容许应力类别为C类，考虑应力比介于0~-1之间，则疲劳容许应力幅为103.1~165.0MPa;按我国《铁路桥梁检定规范》(2004)规定属于高强度螺栓连接3(2)类，基准疲劳强度等级为112.0MPa;按英国BS5400规范，摩擦型高强螺栓连接的构造细节类型为C类，200万次97.7%保证率下疲劳强度为123.9MPa[5];按美国公路桥梁设计规范(AASHTO1994版)，细部分类B的常幅疲劳临界值为110.0MPa[6].
表2给出了有关规范规定的轨道横梁与整体节点连接细节的疲劳容许应力，中国《铁路桥梁检定规范》(2004)、英国BS5400规范、欧洲钢结构协会(ECCS)规范和美国AASHTO规范针对焊接连接给出的疲劳容许应力幅与我国芜湖长江大桥的疲劳试验结果比较接近，约为70MPa.对于螺栓连接，我国孙口黄河大桥疲劳试验得到的疲劳容许应力为49.7~105.8MPa.重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点焊接连接及螺栓连接细节的实测应力幅为31.33MPa，低于按上述规范确定的疲劳容许应力(应力幅)，符合要求.
4 结 论
根据对重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点连接进行的足尺模型疲劳试验，实测应力幅为31.33MPa，疲劳加载200万次后，试验模型未出现裂纹，因此可以认为:在正常养护和维修情况下，重庆菜园坝长江大桥轨道横梁与整体节点连接的各种构造细节在其使用寿命期间内不会发生疲劳开裂，疲劳强度满足要求.
参考文献:
[1]中华人民共和国铁道部大桥工程局.孙口黄河大桥技术总结[M].北京:科学技术出版社，1997:109-192.
[2]王嘉弟.钢桥整体节点对接焊缝力学性能分析[J].桥梁建设，1997(3):44-49.
WANGJiad.iAnalysesofmechanicalbehaviourforthebuttweldedjointofthewholenodeinsteeltrussbridge[J].Bridge Construction，1997(3):44-49.
[3]周孟波，秦顺全.芜湖长江大桥大跨度低塔斜拉桥板桁组合结构建造技术[M].北京:中国铁道出版社，2004:338-352.
[4]王天亮，王邦楣，潘东发.芜湖长江大桥钢梁整体节点疲劳试验研究[J].中国铁道科学，2001，22(5):93-97.
WANGTianliang，WANGBangme，iPANDongfa.SteelbeamintegralnodefatiguetestofWuhuYangtzeRiverbridge[J].ChinaRailwayScience，2001，22(5):93-97.
[5]英国标准学会.BS5400钢桥、混凝土桥及结合桥[S].成都:西南交通大学出版社，1987.
[6]美国各州公路和运输工作者协会(AASHTO).美国公路桥梁设计规范———荷载与抗力系数设计法[S].辛济平，万国朝，张文，等译.北京:人民交通出版社，1998.