公路鋼橋正交異性鋼橋面板抗疲勞設計研究

摘要 鋼結構具有容重小、韌性好的優點，在橋梁工程中有著十分突出的應用優勢，但在長期荷載循環作用下，同時受到焊接應力、截面變化等的影響，很容易導致疲勞破壞的發生，甚至還會引發結構斷裂。因此，針對鋼結構橋梁展開疲勞研究尤為重要。文章以我國某橋梁工程為例，借助ANSYS有限元分析軟件對其正交異性鋼橋面板展開了疲勞分析。結合計算及分析結果，從疲勞設計準則、疲勞細節分類以及疲勞荷載三個層面展開研討，為我國橋梁工程的技術完善提供理論支持。

關鍵詞 公路鋼橋;正交異性鋼橋面板;疲勞設計

中圖分類號 U443.31文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）09-0111-03

引言

鋼結構是我國基礎工程建設的重要材料，尤其是在橋梁工程中應用廣泛，決定著結構強度、耐久性等多項重要指標。但受到焊接施工、加工工藝等的影響，疲勞問題是橋梁設計必須考慮的一項因素[1]。在橋梁設計中，正交異性鋼橋面板不僅可以直接承載上部荷載作用，同時也能與主梁形成良好搭接共同工作，表現出材料用量省且工程性質穩定的優點。但受構造要求及焊接效應的影響，長期使用狀態下縱肋與面板交界位置很容易產生開裂[2]。針對這一問題，著力于改善橋面抗疲勞能力，優化抗疲勞設計尤為關鍵，具有突出的應用價值。

1 工程實例概況

該文以我國某橋梁工程為例，采用正交異性鋼橋面板縱向U肋與頂板焊接、橫隔板與U肋焊接處典型疲勞細節。按照現行疲勞規范完成設計與驗算，比對不同標準疲勞車輛下面板內所產生的損傷情況。

主梁選用單箱三室箱形截面鋼箱梁，標準段長10.5 m。頂板及底板寬度分別為29.5 m、17.5 m，主橋中心線位置的箱梁高3.5 m。在箱梁內設計有兩塊腹板，設計間距為1.7 m。

各箱梁段內分別留有三道橫隔板，其中兩側橫隔板分別距梁端1 m、2.5 m，三道橫隔板的間距定為3.5 m。正交異性鋼板各尺寸如圖1所示，箱梁隔板選用實腹式設計，且有普通橫隔板和端橫隔板兩類，厚度均為12 mm，加勁肋厚度均為10 mm。

2 建立有限元分析模型

該文借助ANSYS有限元分析軟件建立計算機模型進行分析[3]，分析對象選為兩個長度為21 m的標準鋼箱梁，考慮到箱梁截面沿橋軸線中心呈中心對稱，因此設定1/2截面面積。模型中所有構件均使用三維板殼單元Shell63模擬，鋼材為Q345鋼，彈性模量為206 GPa、泊松比選為0.3。該模型整體劃分為了92 898個單元，在對稱界面上附加對稱約束，兩側僅釋放繞X方向的扭轉約束，模型荷載根據車輛單軸重量及接地面積進行計算。

3 疲勞荷載施加及計算工況

對A、B、C點的疲勞強度進行驗算，應當先得出疲勞荷載作用下這些位置各自的應力幅值，并基于最大拉、壓應力所對應的加載點確定最不利加載位置。所以，在確定位置時就需要反復調整使得疲勞車輛在縱向及橫向上移動。已有的研究表明受到車軸直接作用時，正交異性鋼橋面板的關鍵疲勞細節都會達到最大值，且當車軸遠離時將快速下降。

不同地區對于疲勞車輛的規范要求不盡相同，因此在確定輪壓面積、軸距等基本參數時也將依照不同的標準，由此測得的A、B、C點最大應力加載位置也就不可避免地存在一定偏差。在確定各個關鍵節點的應力狀態時需要把握疲勞車輛的影響規律，靈活調整測量方法。將A點作為測量原點，且以A點右側作為正方向，控制疲勞車輛在橫向?1 000～300 mm的范圍內移動，移動步長以50 mm為標準，由此總共可得27個不同的計算工況[4]。圖2及圖3分別為第1個工況和第27個工況。記錄下疲勞車輛移動過程中A、B、C及其他關鍵點的應力水平變化，得到各點應力與橫向位置之間的關系并繪制相應圖表。

基于A、B、C三點與縱向位置的關系曲線即可確定疲勞車輛最不利的加載位置。將A點作為測量原點，車輛移動控制在?500～1 500 cm的范圍內，并記錄A、B、C三點的應力水平，根據分析結果得到各點應力與縱向位置之間的關系并繪制相應圖表。最后即可在基礎上計算得到A、B、C三點的最大應力幅。

4 計算結果分析

4.1 各關鍵點受力對比分析

有限元分析發現，比對時以A點作為原點建立坐標系，疲勞車輛與A點之間的相對位置作為X軸，各關鍵點的應力水平作為Y軸。

4.1.1 1#點應力水平對比

對不同疲勞車輛位置下1#點的橫、縱向應力水平變化作為研究對象展開分析，主要工況條件下的應力分析值如表1所示。1#點所對應的X坐標為?300。

在疲勞車輛的移動下，1#點的應力水平發生了較為明顯的變化，且在X=?400位置出現了最大壓應力值，其橫向壓應力峰值與縱向壓應力峰值分別為?33.80 MPa、?15.73 MPa。而在當X800或X0時的區段內，1#點的應力則呈現出不斷下降的趨勢。在疲勞車輛不斷移動過程中，1#點大多數都處于受壓狀態下，只在0～300的區段內存在部分拉應力，拉應力在X=0位置處達最高水平，橫向拉應力峰值與縱向拉應力峰值分別為2.68 MPa、0.96 MPa。

4.1.2 2#點應力水平對比

對不同疲勞車輛位置下2#點的橫、縱向應力水平變化作為研究對象展開分析，主要工況條件下的應力分析值如表2所示。2#點所對應的X坐標在?250～?300的區間內。

疲勞車輛移動過程中2#點應力水平的變化與1#點比較類似，都大致為曲線關系。豎向應力的最小值在X=?500位置附近出現，約為?10.74 MPa;而最大值在X=0位置附近出現，約為0.57 MPa。同時縱向應力的最小值在X=?400位置附近出現，約為?3.62 MPa;在X800或X0的區段內，2#點的應力則呈現出不斷下降的趨勢。根據不同疲勞荷載位置下1#與2#點的應力變化趨勢可以得出，車輪輪壓作用于縱向U肋腹板位置處時其受力最為不利。

4.2 A、B、C點應力水平對比

4.2.1 A點應力水平分析

不同橫向荷載作用位置下A點應力幅的變化趨勢與1#點基本類似。橫向、縱向應力的最大值均在X=?300位置附近出現，是結構最為不利的狀態。所以，可將X=?300 mm定為疲勞車輛作用的最不利橫向位置。將A點作為分析原點，當疲勞車輛位于?300～1 500 cm的區段內以20 cm作為行駛步長移動時，疲勞荷載作用于A點所產生的應力要遠高于作用于其他位置時。當作用點與A點間距大于1 m時，應力則處于接近于0的水平，當作用點位于A點上時，應力達到最大水平，這也表明A點處的縱向影響線比較短。

4.2.2 B點應力水平分析

B點表征著正交異性鋼橋面板縱向U肋與頂板之間的焊縫位于U肋焊趾處的疲勞細節[5]。分析結果表明，這一位置發生疲勞破壞的形式大多為焊趾的縱向開裂，且可將裂縫分布方向與豎向正應力看作近似垂直。

B點豎向應力最大值出現在X=?600 mm的位置附近，所以，可將X=?600 mm定為疲勞車輛作用的最不利橫向位置。將B點作為分析原點，當疲勞車輛位于?500～

1 500 cm的區段內以20 cm作為行駛步長移動，其他布置與A點相同，發現疲勞荷載作用于B點所產生的應力要遠高于作用于其他位置時的水平。當作用點與B點間距大于0.3 m時，應力則處于接近于0的水平，當作用點位于B點上時，應力達到最大水平。

4.2.3 C點應力水平分析

C點表征著正交異性鋼橋面板橫隔板與縱向U肋焊接端部的疲勞細節。這一位置存在比較嚴重的應力集中與初始缺陷問題，在較高水平荷載作用下容易產生疲勞裂紋，裂縫分布方向與主應力基本垂直。由計算可以得知C點處的橫向應力xσ相較于豎向應力yσ與縱向應力zσ較小，為簡化分析可不納入考慮范圍。

C點豎向、縱向應力最大值出現在X=?200 mm和X=?700 mm的位置附近，所以可分別將X=?200和X=?700 mm定為疲勞車輛作用的最不利橫向位置。將C點作為分析原點，當疲勞車輛位于?600～600 cm的區段內以20 cm作為行駛步長移動時，疲勞荷載作用于C點直至破壞的循環次數比A點更多，導致這一現象的原因在于橫隔板處影響線比較短，在循環荷載作用下循環次數就會更多。

5 結束語

該文以我國某工程案例為基礎展開分析，借助有限元分析法計算分析了結構的受力特點及疲勞強度，得到主要結論有：

（1）對1#和2#兩個不同關鍵點的分析可以發現，1#點分析得到的應力幅遠高于其他關鍵點，且同時伴隨產生應力集中問題;1#關鍵點的橫、縱向正應力與恒載橫向位置之間存在明顯的線性相關性。當橫向荷載作用在A點位置時，2#點才受到荷載作用的影響，而當X=?800，橫向荷載的影響則十分微弱。當荷載作用位置從X=?300靠近時，2#點的應力水平處于不斷上升的狀態，且在X=0位置達到峰值;當荷載作用位置從X=?800向遠離2#點方向移動時，2#點處應力可視為0。

（2）對細節A、B、C及主要關鍵點的疲勞強度分析可以得出正交異性鋼橋面板頂板與U肋焊縫的焊趾、橫隔板與U肋焊接處的疲勞細節的橫向、縱向影響線均很短。這些位置在疲勞荷載作用下表現出十分突出的敏感性，應力幅比較大，是疲勞裂紋的高發位置[6]。由于橫隔板與U肋焊接處疲勞細節影響線比U肋與頂板焊接處疲勞細節影響線更短，所以在疲勞荷載下C點的循環次數明顯高于A、B點，且其應力變化趨勢也更緩。

參考文獻

[1]屠義偉， 趙際軍. 大縱肋鋼橋抗疲勞設計方法研究[J]. 公路工程， 2019（3）： 69-73.

[2]張清華， 卜一之， 李喬. 正交異性鋼橋面板疲勞問題的研究進展[J]. 中國公路學報， 2017（3）： 14-30+39.

[3]李芹子. 公路鋼結構橋梁抗疲勞設計方法研究[D]. 西安： 長安大學， 2014.

[4]韋偉， 陳齊風. 輪載下鋼橋正交異性橋面板疲勞應力分析[J]. 西部交通科技， 2015（10）： 41-46.

[5]黃祖慰， 雷俊卿， 桂成中， 等. 斜拉橋正交異性鋼橋面板疲勞試驗研究[J]. 浙江大學學報（工學版）， 2019（6）： 1071-1082.

[6]李自林， 連延金， 劉治德. 公路橋梁正交異性鋼橋面板關鍵部位疲勞應力分析[J]. 鐵道建筑， 2013（11）： 13-15.

收稿日期：2022-01-14

作者簡介：劉冉（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程設計。