疲勞荷載模型III下的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能分析

梁維全

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市　200030）

疲勞荷載模型III下的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能分析

梁維全

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200030）

結(jié)合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）疲勞荷載模型III，以某城市高架分離式雙箱鋼箱梁正交異性橋面板為研究對(duì)象，建立其正交異性橋面板的精細(xì)化分析模型。通過(guò)有限元方法得到U肋疲勞敏感細(xì)節(jié)在疲勞荷載模型III下的應(yīng)力分布，驗(yàn)算了其疲勞強(qiáng)度。分析結(jié)果表明：正交異性鋼橋面板疲勞強(qiáng)度滿足抗疲勞設(shè)計(jì)要求。在疲勞荷載模型III作用下，懸臂板處U肋疲勞細(xì)節(jié)的等效應(yīng)力幅較箱內(nèi)和橫梁處大，懸臂板處U肋構(gòu)造細(xì)節(jié)相對(duì)其余位置更容易發(fā)生疲勞損傷，為鋼箱梁抗疲勞設(shè)計(jì)驗(yàn)算的控制部位。同時(shí)，鋼箱梁大懸臂下翼緣疲勞應(yīng)力幅值較大，設(shè)計(jì)時(shí)需引起重視。

疲勞荷載模型III；公路；鋼結(jié)構(gòu)；橋梁；疲勞性能

0　引言

正交異性鋼橋面板是由相互垂直的縱、橫向加勁肋和橋面板焊接而成的鋼橋面構(gòu)造，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)、外公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)中［1］。正交異性鋼橋面板在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，橋面系構(gòu)造容易發(fā)生疲勞破壞［2］。疲勞是結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的裂紋的生成、不斷擴(kuò)展、最終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂的現(xiàn)象。20世紀(jì)70年代歐美國(guó)家的正交異性橋面板頻繁出現(xiàn)疲勞破壞的現(xiàn)象，引起了國(guó)內(nèi)外橋梁工程師高度關(guān)注，并進(jìn)行了一系列疲勞損傷基礎(chǔ)性研究，一些研究成果，如各類(lèi)構(gòu)造細(xì)節(jié)、疲勞強(qiáng)度等級(jí)分類(lèi)和疲勞車(chē)輛荷載模型也反映在歐美各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的條文規(guī)定內(nèi)。隨著《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）［3］（下稱(chēng)新規(guī)范）頒布，彌補(bǔ)了《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025-86）（下稱(chēng)舊規(guī)范）抗疲勞設(shè)計(jì)的缺陷。主要改進(jìn)有以下幾點(diǎn)：

（1）采用基于概率的極限狀態(tài)法進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)；

（2）規(guī)定了三種疲勞車(chē)輛荷載模型I、II和III；

（3）規(guī)定了不同疲勞細(xì)節(jié)分級(jí)對(duì)應(yīng)的疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)力幅；

（4）將疲勞應(yīng)力幅作為抗疲勞設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。

采用基于概率的極限狀態(tài)法和將疲勞應(yīng)力幅作為抗疲勞設(shè)計(jì)的主要參數(shù)的做法是國(guó)內(nèi)、外規(guī)范的主流方式。新規(guī)范還規(guī)定了三種疲勞車(chē)輛荷載模型，疲勞荷載計(jì)算模型I對(duì)應(yīng)于無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法，疲勞荷載計(jì)算模型II是根據(jù)交通運(yùn)輸部《公路橋梁疲勞設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》研究結(jié)論給出的，疲勞計(jì)算模型III是在歐洲規(guī)范疲勞荷載模型3的基礎(chǔ)上修改車(chē)輪著地面積得到的。其中疲勞荷載計(jì)算模型III主要用于橋面系構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。

基于新規(guī)范對(duì)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)的規(guī)定，為新規(guī)范體系下的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算提供參考。本文結(jié)合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）疲勞荷載模型III，以某城市高架分離式雙箱鋼箱梁正交異性橋面板為研究對(duì)象，建立其正交異性橋面板的精細(xì)化分析模型。通過(guò)有限元方法得到U肋疲勞敏感細(xì)節(jié)在疲勞荷載模型III下的應(yīng)力分布，驗(yàn)算了其疲勞強(qiáng)度。

1　工程實(shí)例

某城市高架橋梁采用為40 m+60 m+40 m跨徑的分離式雙箱鋼箱連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式，橋面寬23.5 m，跨中梁高為2.0 m，中間支點(diǎn)梁高2.5 m，橋面板結(jié)構(gòu)采用典型的正交異性橋面板構(gòu)造。

鋼梁箱梁截面為分離式雙箱單室截面，外側(cè)為斜腹板，內(nèi)側(cè)為豎直腹板。頂緣箱室寬度為4.1 m，懸臂板寬度為3.85 m，箱室之間橫梁寬度為7.6 m。頂?shù)装逄幘O(shè)置2%橫坡。跨中處典型斷面頂板厚16 mm，加勁肋采用U型加勁肋和I型加勁肋形式。圖1為工程實(shí)例典型斷面圖。

圖1　工程實(shí)例典型斷面圖（單位：mm）

懸臂板末端布置4道16 mm×190 mm的I型加勁肋，其余加勁肋均采用U型加勁肋。U型加勁肋厚度為8 mm，高度為280 mm，間距為600 mm，U肋細(xì)部構(gòu)造尺寸如圖2所示。腹板厚度為16 mm，腹板設(shè)2道I型加勁肋，尺寸為16 mm×190 mm。底板厚度為16 mm，加勁均采用I型加勁，尺寸為14 mm×160 mm，間距為400 mm。鋼箱梁縱向每隔6 m布置一道實(shí)腹式橫隔板，實(shí)腹式隔板之間每2 m布置一道空腹式橫隔板。

圖2　頂板U肋構(gòu)造（單位：mm）

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）道路等級(jí)：加強(qiáng)型主干路（直行連續(xù)交通）/城市快速路。

（2）計(jì)算行車(chē)速度：60 km/h。

（3）橋梁設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

2　計(jì)算模型建立

2.1有限元模型建立

為分析鋼箱梁正交異性橋面板在疲勞荷載模型III下的等效疲勞應(yīng)力幅，采用通用有限元程序ABAQUS6.12建立其三維板殼有限元計(jì)算模型。有限元模型如圖3所示。有限模型縱向長(zhǎng)度取3個(gè)橫隔板間距。由于工程實(shí)例橫橋向沿鋼箱梁中心線對(duì)稱(chēng)，出于節(jié)省計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)目的，僅取鋼箱梁半寬建模。鋼材的彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。板殼單元采用S4R單元。通過(guò)ABAQUS CAE進(jìn)行幾何模型組裝、網(wǎng)格劃分及荷載的添加。網(wǎng)格劃分尺寸為20 mm，模型共劃分21萬(wàn)個(gè)單元。橫隔板網(wǎng)格劃分如圖4所示。計(jì)算模型在鋼箱梁中心線處采用對(duì)稱(chēng)邊界條件，鋼箱梁兩端處約束殼單元U1、U2和U3自由度。

圖3　有限元計(jì)算模型

圖4　橫隔板單元網(wǎng)格劃分

2.2疲勞荷載

疲勞計(jì)算荷載采用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）規(guī)定的疲勞計(jì)算模型III，主要用于橋面系構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算，是在歐洲規(guī)范疲勞荷載模型3的基礎(chǔ)上修改車(chē)輪著地面積得到的。疲勞荷載模型III為單車(chē)模型，模型車(chē)軸載及分布規(guī)定如圖5所示。

圖5　疲勞荷載模型III

2.3疲勞細(xì)節(jié)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁正交異性鋼橋面板的疲勞損傷現(xiàn)象進(jìn)行了大量的調(diào)研，總結(jié)了鋼橋面板發(fā)生疲勞損壞的構(gòu)造細(xì)節(jié)，可歸納為5種主要類(lèi)型［4-10］（如圖6所示）:（1）頂板與U肋焊縫處的頂板縱向裂縫；（2）U肋與頂板焊縫的縱向裂縫；（3）U肋下緣對(duì)接焊縫的裂縫；（4）U肋上端過(guò)焊孔處U肋的裂縫；（5）U肋下端過(guò)焊孔處橫隔板裂縫。

本文選取上述5種疲勞細(xì)節(jié)中出現(xiàn)最多疲勞損傷的3個(gè)典型構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞荷載模型III下的疲勞驗(yàn)算。疲勞細(xì)節(jié)1為U肋橫隔板交叉處頂板縱向位置，疲勞細(xì)節(jié)2為橫隔板U肋過(guò)焊孔處，疲勞細(xì)節(jié)3為U型加勁肋縱向?qū)雍缚p。

圖6　正交異形鋼橋面板疲勞損傷構(gòu)造細(xì)節(jié)

2.4加載方式

確定疲勞細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵是獲得疲勞荷載模型III作用下疲勞細(xì)節(jié)產(chǎn)生的最大拉、壓應(yīng)力，確定等效疲勞荷載應(yīng)力幅。疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力與疲勞車(chē)的加載位置有關(guān)。加載位置的確定需要通過(guò)疲勞車(chē)輛在縱、橫橋向的移動(dòng)來(lái)確定。一般可先通過(guò)橫橋加載確定疲勞細(xì)節(jié)橫向加載最不利位置，然后進(jìn)行縱橋向加載，確定疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅。

橫橋向加載以U肋中心線為參考線，疲勞車(chē)荷載中線分別在橫向-0.5～0.5 m的范圍內(nèi)加載，加載步長(zhǎng)為0.1 m。縱橋向加載以橫橋向加載最不利位置為參考線，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置為加載區(qū)域1，加載區(qū)域1向兩側(cè)偏移0.1 m分別為加載區(qū)域2 和3，加載區(qū)域1向兩側(cè)偏移0.2 m分別為加載區(qū)域4和5，疲勞車(chē)荷載中線置于加載區(qū)域1～5中，分別在縱向-2.5～2.5 m的范圍內(nèi)加載，加載步長(zhǎng)為0.2 m。得到疲勞車(chē)荷載作用下的疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力最不利點(diǎn)的加載位置。按照輪轂落入各區(qū)域內(nèi)概率（見(jiàn)圖7），按下式計(jì)算按2×106次常幅疲勞循環(huán)換算得到的等效常值應(yīng)力幅，進(jìn)一步可對(duì)橋面板各疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。

圖7　車(chē)輪橫向位置概率（單位：m）

式中:ΔσE2為等效常值應(yīng)力幅；Δφ為伸縮縫為放大系數(shù)；γ為損傷等效系數(shù)

3　正交異性橋面板疲勞性能分析

3.1疲勞應(yīng)力歷程

將疲勞荷載模型III沿橫、縱向作用下箱室內(nèi)部U肋疲勞細(xì)節(jié)1～3的應(yīng)力歷程繪于圖8。

圖8　疲勞荷載模型III作用下的細(xì)節(jié)應(yīng)力歷程

由圖8中的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)疲勞車(chē)輛荷載橫向位于U肋疲勞細(xì)節(jié)上方時(shí)，為該疲勞細(xì)節(jié)的橫向最不利位置。U肋疲勞細(xì)節(jié)1～3的最不利應(yīng)力分別為18.1、16.2和15.5 MPa，疲勞細(xì)節(jié)1最大，疲勞細(xì)節(jié)2其次，疲勞細(xì)節(jié)3最小。

3.2疲勞驗(yàn)算位置確定

為進(jìn)一步驗(yàn)算不同位置處U肋疲勞強(qiáng)度，分別選取懸臂板、箱室內(nèi)部和橫梁處U肋（見(jiàn)圖9），分別計(jì)算不同位置U肋各個(gè)疲勞細(xì)節(jié)的等效應(yīng)力幅，將計(jì)算值列于表1。

圖9　疲勞驗(yàn)算位置

表1　不同位置處各疲勞細(xì)節(jié)等效應(yīng)力幅

由計(jì)算結(jié)果可知，在疲勞荷載模型III作用下，懸臂板處U肋疲勞細(xì)節(jié)的等效應(yīng)力幅較箱內(nèi)和橫梁處大，懸臂板處U肋構(gòu)造細(xì)節(jié)相對(duì)其余位置更容易發(fā)生疲勞損傷，為鋼箱梁抗疲勞設(shè)計(jì)驗(yàn)算的控制部位。

3.3懸臂板抗疲勞設(shè)計(jì)

將疲勞荷載模型III作用下懸臂板下翼緣末端疲勞細(xì)節(jié)等效應(yīng)力幅列于表2。懸臂板下翼緣末端疲勞細(xì)節(jié)等效應(yīng)力幅為49.0 MPa，大于懸臂板U肋的疲勞細(xì)節(jié)1～3等效應(yīng)力幅。因此，懸臂板抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，除關(guān)注U肋疲勞細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度外，在疲勞荷載模型III作用下，鋼箱梁大懸臂下翼緣末端疲勞應(yīng)力幅值較大，設(shè)計(jì)時(shí)需引起重視。

表2　懸臂板下翼緣末端疲勞細(xì)節(jié)等效應(yīng)力幅

4　結(jié)　論

本文結(jié)合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015），利用疲勞荷載模型III，分析了某城市高架分離式雙箱鋼箱梁正交異性橋面板疲勞性能，通過(guò)上文分析可知：

（1）正交異性鋼橋面板疲勞強(qiáng)度滿足抗疲勞設(shè)計(jì)要求。

（2）在疲勞荷載模型III作用下，懸臂板處U肋疲勞細(xì)節(jié)的等效應(yīng)力幅較箱內(nèi)和橫梁處大，懸臂板處U肋構(gòu)造細(xì)節(jié)相對(duì)其余位置更容易發(fā)生疲勞損傷，為鋼箱梁抗疲勞設(shè)計(jì)驗(yàn)算的控制部位。

（3）在疲勞荷載模型III作用下，鋼箱梁大懸臂下翼緣疲勞應(yīng)力幅值較大，設(shè)計(jì)時(shí)需引起重視。

［1］王春生，馮亞成 .正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009（9）：10-13.

［2］周泳濤，鮑衛(wèi)剛，翟輝，等.公路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（11）:79-85.

［3］JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.

［4］王榮輝，池春，陳慶中，等.廣州市高架橋疲勞荷載車(chē)輛模型研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004（12）：94-96.

［5］曾志斌.正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋分類(lèi)及其原因分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2011（2）:9-15.

［6］童樂(lè)為，沈祖炎.正交異性鋼橋面板疲勞驗(yàn)算［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000（3）:16-21.

［7］張芹.正交異性鋼橋面板疲勞性能試驗(yàn)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

［8］錢(qián)冬生.談?wù)勪摌虻钠诤蛿嗔眩跩］.橋梁建設(shè)，2009（3）:12-21.

［9］徐軍，陳忠延.正交異性鋼橋面板的結(jié)構(gòu)分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，27（2）:170-174.

［10］崔冰，吳沖，丁文俊，等.車(chē)輪輪跡線位置對(duì)鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，27（3）:19-23.

U441

A

1009-7716（2016）07-0129-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.038

2016-03-16

梁維全（1979-），男，河南光山人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。