基于JTG D64-2015規范的鋼橋正交異性板面板與U肋焊縫疲勞應力分析

王 偉,王亞飛

(1.中鐵大橋科學研究院有限公司,湖北 武漢 430034；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室,湖北 武漢 430034)

正交異性鋼橋面板體系作為鋼結構橋梁的主要橋面結構形式,具有自重輕、極限承載能力大、整體受力性能好等優點,近年來被廣泛應用于大跨度橋梁中,但因其構造復雜、局部應力集中、焊縫較多而導致其疲勞問題突出[1]。頂板與U肋之間的焊縫為疲勞裂紋出現較多的部位之一,為了解決鋼橋正交異性板面板與U肋焊縫開裂問題,國內外學者均開展了大量的研究工作,并取得許多成果[2-3]。較為普遍的認識是增加面板厚度能有效提高正交異性板面板與U肋焊縫的疲勞壽命；目前研究較熱的是在鋼橋橋面設置剛性鋪裝層,以降低面板與U肋焊縫處的彎曲應力。

對于以往正交異性鋼橋面板疲勞驗算,國內由于缺乏相應規范推薦的計算方法和疲勞車模型,許多學者計算采用的疲勞車荷載、輪距各有不同,所以計算結果較難相互驗證。國內規范JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》參考歐盟疲勞規范Eurocode 3中的疲勞荷載計算模型和等效損傷評定方法,規定了鋼結構橋梁的橋面系疲勞驗算標準車模型,采用200萬次載荷循環壽命下的允許等效應力幅ΔσE2來評價疲勞應力水平,其中允許等效應力幅ΔσE2為實際應力幅乘以損傷等效因子,綜合反映跨長、車動載流量、設計年限及復合載荷對疲勞受力的影響。本文基于《公路鋼結構橋梁設計規范》對鋼橋正交異性板面板與U肋焊縫焊趾處應力幅進行驗算。

1 鋼橋正交異性板節段有限元模型的建立

選用典型正交異性橋面板結構,在縱向方向取3跨,單跨跨徑2.8m,在橫向方向選取6個U肋,U肋板厚度取8mm,高度280mm,肋間距為300mm；頂板厚度取16mm。采用有限元軟件ANSYS建立仿真計算模型,采用板殼單元模擬,彈性模量為210GPa,泊松比為0.3,有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

采用《公路鋼結構橋梁設計規范》中5.5.2條,橋面系構件采用疲勞荷載計算模型III(單車模型)進行加載,單輪觸地面積為0.6m×0.2m,輪壓荷載為0.5MPa,模擬車輛通過全過程面板與U肋焊縫焊趾處的正應力變化情況。

2 面板與U肋焊縫的等效常幅應力值計算

鋼橋正交異性板面板與U肋一般采用單面坡口焊,焊縫焊腳尺寸約為6mm。名義應力計算點取面板焊縫焊趾處,約離面板與U肋中心線交點1cm。全跨面板與U肋焊縫疲勞受力的橫向最不利加載位置基本相同[4]。

采用疲勞荷載計算模型III的雙軸在全跨范圍縱向移動,模擬面板與U肋焊縫焊趾的受力最不利輪跡線,獲得焊縫焊趾處正應力的極值。在最不利輪跡線下中跨跨中部位、距離支點0.2m處焊縫焊趾的正應力變化情況如圖2所示。按照雨流計數法計算最大應力幅值,可得在疲勞車雙軸作用下名義應力計算點處最大正應力幅Δσ1,在跨中部位計算值為62MPa。

圖2 最不利輪跡線下U肋與面板焊縫焊趾正應力值

模型全跨范圍的最大正應力幅計算值Δσ1如圖3所示,可知面板與U肋焊縫焊趾在全跨范圍的最大正應力幅基本相等,均為以壓應力(Δσ1-min)為主的拉壓循環荷載,而焊縫焊趾在跨中部位的拉應力(Δσ1-max)值略高于支點附近部位,壓應力分布規律相反。由于有橫隔板存在,對于支點附近的面板與U肋焊縫焊趾的應力幅需另做計算。

圖3 最不利輪跡線下全跨范圍U肋與面板焊縫焊趾應力幅

由于鋼橋正交異性板各疲勞細節的有效影響面范圍狹小,變化幅度大,因此疲勞細節對輪載的橫向位置十分敏感。依據《公路鋼結構橋梁設規范》5.5.7條,采用疲勞荷載計算模型計算正交異性板疲勞應力時,應考慮車輛在車道上的橫向位置概率,可得等效常幅應力值ΔσE2值：

公式中ΔσE2為換算后的等效常幅應力值；Δφ為伸縮縫附近構件疲勞荷載的放大系數,當計算非伸縮縫附近構件時,取為0；γ為損傷等效系數,可取值為2.5,按其他高速公路或一級公路進行折算后,單車道年總交通量(預測年)≥119萬輛；wi、σpmax,i和σpmin,i分別為不同橫向位置的最大應力幅、最大應力與最小應力。

對于16mm厚頂板與U肋焊縫焊趾處,等效常幅應力ΔσE2在全跨范圍平均值為145MPa,該結果不考慮支點附近的焊縫。依據《公路鋼結構橋梁設規范》中橋面系疲勞驗算的要求,按公式γFfΔσE2≦κsΔσc/γMf進行驗算,其中γMf為疲勞荷載分項系數,取1.0；γMf按次要構件取疲勞抗力分項系數為1.15；Ks為尺寸效應折減系數,取為1.0。對于面板和U肋的焊縫焊趾處,按照板內彎曲引起的正應力幅Δσ驗算,細節類別為70,故面板與U肋焊縫焊趾的允許應力幅為60.9MPa,可知16mm厚面板的等效常幅應力值遠遠大于該類細節的允許應力幅。

由于鋼橋正交異性板面板與U肋焊縫的應力水平與面板厚度密切相關,考慮增加的面板厚度進行計算。當面板厚度為22mm時,計算可得最大等效常幅應力計算值約為59MPa,略小于規范允許應力幅60.9MPa。

3 計算結論

(1)對于本文計算的常見正交異性鋼橋面板結構,面板與U肋焊縫焊趾處的最大名義應力幅在全跨范圍基本相同,16mm厚的面板在與U肋焊縫焊趾處最大正應力幅均值為62MPa；考慮車輛在車道上的橫向位置概率和損傷等效系數后,換算得等效常幅應力值ΔσE2均值為145MPa。

(2)依據《公路鋼結構橋梁設規范》中橋面系疲勞驗算的規定,面板與U肋焊縫(細節70)的允許應力幅為60.9MPa。故當正交異性鋼橋面板的鋪裝層為柔性鋪裝層時,16mm厚度的面板遠遠不能滿足規范要求；當面板厚度至少為22mm,等效常幅應力值ΔσE2約為59MPa,可滿足規范要求。

[1]田啟賢,高立強,杜新喜.面板結構設計對正交異性板疲勞性能的影響研究.[J].橋梁建設,2016(01)：18-23．

[2]杜青,石廣玉.拉壓循環載荷作用下正交異性鋼橋面板肋-面板焊縫裂紋擴展分析[A].中國力學學會.力學與工程應用(十六卷)[C].中國力學學會：2016∶271-272．

[3]卜一之,楊紹林,崔闖,等.輪跡橫向分布對鋼橋面板疲勞應力幅的影響[J].橋梁建設,2015(02)：39-45．

[4]周慧敏.淺談路橋工程施工中常見的施工技術[J].江西建材2016(24)：150-151．