正交異性鋼橋面板疲勞損傷有限元分析

鄧平郎，王學敏，劉建軍，陳旭

摘 要：復雜的受力特性和結構體系決定疲勞損傷是正交異性鋼橋面板的發展和應用所面臨的重大難題。目前我國已建成的許多座正交異性鋼橋面板橋梁出現了不同程度的疲勞損傷，橋面板的疲勞損傷影響橋梁耐久性與安全性。為此，本文利用ANSYS建立正交異性鋼橋面板的局部精細化有限元模型，進行疲勞細節部位的應力分析。對比分析橋面板各個易損部位在開裂前、后及修復加固后的受力特性，結果表明粘貼角鋼的修復加固技術能有效地降低局部應力以阻止疲勞裂紋的擴展，為此類橋梁疲勞裂紋的修復提供一定參考。

關鍵詞：正交異性鋼橋面板;疲勞損傷;修復加固;ANSYS;有限元

中圖分類號：U44 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0108-02

1引言

正交異性鋼橋面板是由縱橋向與橫橋向加勁肋跟頂板焊接而成，共同承擔車輛荷載的橋面結構，因其具有承載能力大、自重輕、施工周期短、造型美觀等優點，在現代大、中跨徑橋梁工程中得到了廣泛應用。除了優點以外，正交異性鋼橋面板結構的疲勞問題也較為突出[1]。近幾十年來，國內修建了大量采用正交異性鋼橋面板的橋梁，限于國內施工質量、交通荷載以及早期設計時對正交異性鋼橋面板疲勞裂紋產生的機理認識不足等綜合因素，部分早期修建的橋梁均出現了不同程度的疲勞裂紋，如虎門大橋、江陰長江大橋等。

目前因疲勞開裂問題導致該類橋梁的維修加固需求十分突出，而一些維修加固的方法并不是十分有效。因此本文以國內某大跨度橋為例，通過ansys建立精細有限元模型針疲勞裂紋修復措施進行深入研究，可為此類橋梁疲勞裂紋的修復提供一定的參考。

2疲勞損傷研究

2.1疲勞損傷機理

正交異性鋼橋面板是由橫隔板、U形肋、頂板等共同作用的復雜結構，根據疲勞裂紋的成因不同，可分為由主應力引起的開裂與次應力引起的開裂。前者稱荷載引起的開裂，后者稱面外變形引起的開裂。疲勞敏感部位（如應力集中部位，焊縫部位，缺陷部位等）在循環荷載作用下會產生初始的微小疲勞損傷，在循環荷載作用下疲勞損傷一旦累計到臨界值，就會產生宏觀裂紋，宏觀裂紋按斷裂力學裂紋擴展機理擴展直至發生脆性失效斷裂。

2.2疲勞損傷部位

根據國內外正交異性鋼橋面板的疲勞損傷研究以及對已產生疲勞裂紋的橋梁的裂紋位置進行的統計分析，發現正交異性鋼橋面板最容易產生疲勞裂紋的部位主要有圖1中的三個部位，占疲勞損傷的90%以上：①橫隔板開槽部位D1;②U形肋與橫隔板豎向焊縫端部位D2;③U形肋與頂板焊縫D3。

3工程實例及有限元模型

該橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。主跨為620m，梁高3.0m，寬30.1m。箱梁的上翼緣采用正交異性鋼橋面板，閉口U形加勁肋。由于超載和橋頂板較薄（14mm）等原因，該橋多處部位出現疲勞裂紋，急需對疲勞裂紋進行修復加固處理，以確保鋼橋面板的運營安全。

大跨度橋梁一般體積龐大、結構復雜，因此進行全橋精細化有限元分析工作量巨大，實際計算中實現較為困難。本文利用大型有限元分析軟件ANSYS建立正交異性鋼橋面板的局部精細化有限元模型，在保證模型受力特性與邊界條件與實橋基本一致的情況下，模型越小越精細，其計算結果可靠度越高。本文模型縱橋向采用3m+3m+3m的縱向三跨結構，橫橋向包括5個U形肋。頂板厚14mm，U形肋厚10mm，橫隔板厚10mm。計算中約束所有橫隔板端部翼緣自由度。

為了獲得更加精準的計算數據，所有容易產生疲勞裂紋的部位，如橫隔板開槽部位D1，以及在裂紋模擬過程中的網格劃分，均應加大網格密度。整體模型網格劃分如圖2所示。為了獲得更加精準的計算數據，所有容易產生疲勞裂紋的部位，如橫隔板開槽部位D1，以及在裂紋模擬過程中的網格劃分，均應加大網格密度，見圖3。

4設計荷載

加載采用《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）[4]中車輛荷載。單車重480KN，車輪著地面積為200mm×600mm，不計沖擊效應和鋪裝層擴散作用。因應力影響線在橫向長度較短，因此可取車軸的單側車輪加載，此處取加載大小為60KN。此外，根據同濟大學童樂為教授研究表明，不同車道車輛對鋼橋面板同一部位的應力不產生明顯疊加，因此不考慮多車效應。

5計算結果對比分析

5.1開裂前應力分析

加載后，在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫端部D2處應力明顯較高，與前面統計的正交異性鋼橋面板最容易產生疲勞損傷的部位基本相符，表明局部應力集中是裂紋產生的一個重要原因。

5.2開裂后應力分析

經過數據分析得到開裂前和開裂后易損部位D1和D3處的應力集中點的應力對比，結果表明產生疲勞裂紋后，開槽部位D1的局部應力集中轉移到裂紋尖端，且D1和D3部位應力均有較明顯的增加。

5.3修復加固后應力分析

國內外許多學者都在致力于鋼橋面板疲勞裂紋修復的研究，目前疲勞裂紋修復的方法較多，主要分為焊接修復和機械修復兩類。英國Severn橋修復U形肋與頂板焊縫D3時，將原有焊縫敲擊清除后重新焊接。但是加載次數僅增加1.5萬次，止裂孔邊緣便發現新疲勞裂紋。雖然相較之前應力集中有稍許分散，但其效果并不明顯，因此止裂孔并不能有效地阻止裂紋擴展。

本文采取的修復方法為機械修復：在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫端部D2、U形肋與頂板焊縫D3粘貼角鋼，以增強修改部位的剛度，降低局部應力以阻止疲勞裂紋的擴展。

結果表明：修復加固后D1，D3位置的應力較開裂后明顯降低，其中開槽部位D1處的裂紋尖端應力最大降幅約66%，表明粘貼角鋼修復方式能顯著降低裂紋尖端的局部應力集中效應，阻止裂紋的繼續擴展。

6結語

本文通過建立正交異性鋼橋面板的局部精細化有限元模型，進行了疲勞細節部位的應力分析。對比分析了正交異性鋼橋面板各個易損部位在開裂前、開裂后、修復加固后三種狀態中的受力特性，得出了以下結論：

（1）加載后，在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫端部處應力明顯較高，與國內外正交異性鋼橋面板的疲勞損傷研究得出最容易產生疲勞裂紋的部位基本相符，表明應力集中是裂紋產生的一個重要原因。

（2）橫隔板開槽降低橫隔板的局部剛度，導致應力集中，使得開槽部位產生垂直于開槽邊的疲勞裂紋。

（3）在裂紋尖端開直徑10mm的止裂孔，裂紋尖端的應力最大值變化微小，因此止裂孔效果并不明顯。

（4）采取粘貼角鋼修復加固后，在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫D2端部處應力較開裂修復前顯著降低，D1處的裂紋尖端部位局部應力降低約66%，表明通過粘貼角鋼增強裂紋局部的剛度，能有效地降低局部應力以阻止疲勞裂紋的擴展。

參考文獻：

[1]曾志斌. 正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋分列及其原因分析 [J] . 鋼結構，2011，26（2）：9-15，26

[2]王春生，馮亞成. 正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述 [J] . 鋼結構，2009，24（9）：10-13.

[3] JTG D64—2015，公路鋼結構橋梁設計規范 [S].