鋼-混組合橋面板抗剪連接件疲勞驗(yàn)算方法

【摘要】組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與鋼板、混凝土層剪力連接件密切相關(guān)，通過整體組合橋面板殼模型與局部栓釘實(shí)體模型相結(jié)合的研究方式，提出組合橋面板栓釘疲勞性能驗(yàn)算方法，并依照主S-N曲線與疲勞線性損傷累積準(zhǔn)則計(jì)算栓釘細(xì)節(jié)疲勞壽命。

組合橋面板； 疲勞性能； 剪力連接件

TU443.32【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-11-25

［作者簡介］胡文哲（1999—），男，碩士， 研究方向?yàn)殇摌蚱凇?/p>

0 引言

在鋼-混組合橋梁中，組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與承載能力不僅受到鋼、混凝土各自性質(zhì)的影響，還與結(jié)合面的連接方式有關(guān)［1-2］。連接件最初被稱為剪力鍵或剪力釘?shù)龋饕糜诔袚?dān)鋼與混凝土板結(jié)合面的剪力作用，常用連接件包括栓釘連接件和開孔板連接件等。本研究主要針對栓釘在鋼橋面板與混凝土層之間的連接作用，栓釘桿身根部和圓柱頭分別承受結(jié)合面剪力作用和拉拔作用。

在移動荷載及其他可變作用影響下，栓釘與鋼箱梁頂板連接處焊縫會受到長期交變荷載，在反復(fù)荷載所導(dǎo)致的往復(fù)應(yīng)力作用下，焊縫局部會逐漸形成裂紋并逐步擴(kuò)展直至斷裂，這就是連接件焊縫處的疲勞破壞。使用Ansys軟件建立相應(yīng)正交異性鋼橋面板模型，計(jì)算栓釘疲勞細(xì)節(jié)位置處的應(yīng)力影響線，并進(jìn)行相應(yīng)疲勞細(xì)節(jié)的驗(yàn)算。

1 有限元模型

參照某公路橋梁橋面布置，栓釘縱橫橋向間距為200 mm，由于栓釘數(shù)量眾多，采用整體與局部雙模型的分析方法。首先建立局部正交異性鋼橋面板及其上混凝土板模型，在栓釘位置處使用彈簧單元模擬，通過施加汽車輪載得到縱橫橋向彈簧單元所受剪力以此近似為栓釘所受剪力；然后另外建立單個(gè)栓釘實(shí)體模型，在其上施加雙向剪力，得到疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞荷載，進(jìn)而得到疲勞細(xì)節(jié)處應(yīng)力曲線。

1.1 鋼-混組合橋面板整體模型

在實(shí)際的輪載輪距以及軸距條件下，當(dāng)模型的橫向?qū)挾葹?～3 m，長度為橫隔板間距的2～3倍時(shí)可以較為準(zhǔn)確地反映橋面板結(jié)構(gòu)的局部受力特征和變形形態(tài)。橋面板整體模型如圖1所示，模型尺寸為縱向×橫向6.4 m×2.4 m，縱向布置4道橫隔板，橫向4道U肋。其中，鋼板部分采用板殼單元Shell63，混凝土層采用實(shí)體單元Solid65。為模擬實(shí)際栓釘受力，在頂板與混凝土板間留出5 mm間距，在栓釘位置使用雙向彈簧單元Combin14模擬連接件在縱橋向Z向和橫橋向X向的抗剪作用，通過耦合頂板與混凝土板的Y向自由度實(shí)現(xiàn)上下部分受力連續(xù)，計(jì)算得到兩種彈簧單元內(nèi)力即為實(shí)際栓釘所受X、Z向剪力。

為使結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下正常受力，且受力與實(shí)際相符合，需要在模型相應(yīng)位置處的節(jié)點(diǎn)處約束相應(yīng)自由度，約束X向兩端斷面橫橋向及豎向平動自由度UX、UY；約束Y向橫隔板翼緣板底面豎向平動自由度UY；約束Z向兩端縱橋向及豎向平動自由度UZ、UY。

1.2 疲勞荷載工況

采用JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》5.5.2條給出的計(jì)算模型Ⅲ（單車荷載），該計(jì)算模型車輛荷載總重480 kN，每個(gè)輪重60 kN，模型車軸載及分布規(guī)定如圖2所示。

以3#U肋上部的栓釘連接件為研究對象，使用單輪加載，橫向加載分布范圍如圖3所示，橫向設(shè)置5個(gè)荷載步，荷載步間距為100 mm，縱向設(shè)置30個(gè)荷載步，間距為200 mm。

1.3 栓釘面內(nèi)剪力歷程

在標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載作用下，計(jì)算組合橋面板中栓釘彈簧單元的縱橫向剪力，識別出橋面板中縱向剪力幅最大的栓釘，剪力幅值最大為1 425.25 N，提取該栓釘縱向彈簧單元剪力歷程，如圖4所示。

2 鋼-混組合橋面板栓釘連接件疲勞驗(yàn)算

2.1 栓釘實(shí)體模型

建立栓釘局部全實(shí)體有限元模型，如圖5所示，模型尺寸為100 mm×100 mm，由單栓釘與部分頂板組成。其中，栓釘公稱直徑為8 mm，長度60 mm，栓釘與頂板連接處采用圍焊形式，焊縫尺寸為2.5 mm×4.5 mm（寬×高）。

栓釘?shù)撞颗c頂板采用完全耦合的方式模擬相互作用，不考慮界面滑移影響。本模型的計(jì)算內(nèi)容為栓釘疲勞應(yīng)力，故模型邊界條件簡化為底面全約束。為模擬栓釘真實(shí)受力情況，將整體模型計(jì)算得到的栓釘處最大剪力均布在栓帽X、Z向全部節(jié)點(diǎn)，加載圖示如圖6所示。

2.2 栓釘連接件焊趾熱點(diǎn)應(yīng)力歷程

采用熱點(diǎn)應(yīng)力法確定栓釘疲勞細(xì)節(jié)處應(yīng)力狀態(tài)，該方法相較于傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，離散型更小，且能夠計(jì)入面外變形次應(yīng)力所引起的疲勞損傷效應(yīng)和切口效應(yīng)。采用國際焊接協(xié)會（IIW）推薦的第一種方法來獲取熱點(diǎn)應(yīng)力，即通過距焊趾0.4d和1.0d的應(yīng)力線性外推得到焊趾處應(yīng)力。提取出栓釘焊縫疲勞細(xì)節(jié)距焊趾0.4d和1.0d處應(yīng)力曲線如圖7所示。

由熱點(diǎn)0.4d及1.0d處應(yīng)力結(jié)果線性外推出焊縫處疲勞應(yīng)力曲線如圖8所示。計(jì)算得到栓釘焊縫處最大應(yīng)力幅為48.4 MPa。

2.3 焊縫細(xì)節(jié)疲勞壽命驗(yàn)算

橋梁從開始使用到細(xì)節(jié)處產(chǎn)生裂紋發(fā)生損壞的粘性稱為疲勞壽命［3-4］，使用Miner線性累積損傷理論進(jìn)行本橋梁中栓釘?shù)钠趬勖?jì)算。在應(yīng)力Si作用下，經(jīng)受ni次循環(huán)的損傷為式（1）。

D=∑klDi=∑niNi（i=1，2，…，k）

（1）

式中：ni為應(yīng)力Si作用下的循環(huán)次數(shù)；Ni為應(yīng)力Si作用下循環(huán)到破壞的壽命，如圖9所示S-N曲線確定。

根據(jù)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》5.5.8條，疲勞細(xì)節(jié)類別Δτt=100 MPa時(shí)，常幅疲勞極限（500萬次循環(huán)疲勞強(qiáng)度）ΔτD為式（2）。

ΔτD=100×2×1065×1065=83.26 MPa（2）

結(jié)合實(shí)體模型得到的應(yīng)力幅48.4 MPa，可以得到疲勞細(xì)節(jié)處循環(huán)到破壞的作用次數(shù)為式（3）。

Ni=5×106×83.2648.45=7.53×107（3）

根據(jù)該地年鑒對交通量進(jìn)行預(yù)測，100年設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)本橋的年平均單個(gè)重車道通過標(biāo)準(zhǔn)疲勞車次數(shù)為150 000次，由此可得到應(yīng)力幅作用下年平均損傷為式（4）。

Di=14982477.53×107=0.020（4）

栓釘疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞壽命為：1/0.02=50年，一般鋼橋疲勞壽命為5～10年，滿足要求。

3 結(jié)論

（1）通過建立組合橋面板整體與栓釘局部有限元模型，提出了栓釘疲勞性能驗(yàn)算的方法。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載作用下，橋面板中栓釘縱向最大剪力幅值為1 425.25 N，將其作為外荷載作用在局部實(shí)體模型中，根據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算得到栓釘焊趾部位疲勞應(yīng)力幅為48.4 MPa。

（3）根據(jù)主S-N曲線與損傷線性累積原則，計(jì)算得到栓釘疲勞細(xì)節(jié)處疲勞壽命為50年，滿足要求。

參考文獻(xiàn)

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