基于ANSYS有限元的正交異性板關鍵焊接部位疲勞性能分析

劉晨陽， 吳愛平

(1.三峽大學土木與建筑學院,湖北 宜昌 443000; 2.深圳市綜合交通設計研究院有限公司,廣東 深圳 518003)

0 引 言

正交異性鋼橋面板是將相互垂直的縱橫向加勁肋與橋面蓋板組合起來共同承受橋面車輛荷載的結構，其除了作為橋面之外還是主梁的重要組成部分。正交異性鋼橋面板使用的材料是薄鋼板，與預應力混凝土橋面板相比能夠顯著降低橋梁的結構自重，但橋面是由縱肋、橫肋和蓋板焊接而成，焊縫交接處構造復雜，承受荷載作用下的應力與變形也是極其復雜。霍寧飛等[1]基于焊縫的局部三維斷裂力學模型和超重多軸貨車的載荷譜，進行正交異性鋼橋面板的肋-面板焊縫表面裂紋的疲勞壽命分析；陶曉燕等[2]運用有限元軟件建立了公路和鐵路正交異性橋面的模型，分析了各交叉部位構造的應力變化規律；田啟賢等[3]研究了采用5種面板結構形式時正交異性板各疲勞構造細節的最不利應力幅和疲勞壽命系數；陳華婷等[4]建立了傳統典型縱肋橋面板和新型熱軋縱肋橋面板模型，對兩種橋面板的焊接接頭關注點在多種輪位加載的工況下的疲勞應力幅進行了對比分析；高立強[5]對橫梁腹板切口形狀對橫梁腹板與縱肋連接部位及橫梁腹板切口邊緣處疲勞性能的影響規律進行了研究；榮振環等[6]對武漢天興洲長江大橋的正交異性板的關鍵焊接部位的疲勞性能進行了研究。本文擬對某公鐵兩用橋正交異性板整體節點雙向應力焊縫構造進行建模分析，并與靜載試驗下測點所測應力值進行對比分析。

1 工程概況

某公鐵兩用橋下層鐵路橋面采用正交異性整體鋼橋面板，因中桁與橋面板的連接部位受整體橋面負彎矩影響，在節點處形成橫向拉應力，同時，下弦桿在列車荷載作用下主要承受縱向拉應力，這就使得下弦節點處于雙向均受較大拉應力的受力狀態，需要對整體節點雙向應力焊縫構造進行靜載試驗研究，以確保結構的安全。

2 有限元建模及分析

采用有限元軟件ANSYS對整體節點雙向應力焊縫試件進行建模，過渡圓弧半徑10 mm，試件共劃分為17 208個單元，21 810個節點，有限元模型如圖1所示。荷載施加共分為3種工況，分別為水平向加載、豎向加載以及豎向和水平向雙向加載。

圖1 試件有限元模型

2.1 工況一：水平向加載

將豎板上下兩側約束，將水平板左側約束，右側分5級施加0～150 kN。當施加力為150 kN時，有限元計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 僅施加水平力時X方向應力云圖

圖3 僅施加水平力時Y方向應力云圖

從圖2中可以看出，應力最大的部位出現在水平板焊趾處，X方向最大應力為196 MPa，該部位的名義應力為93.75 MPa，應力集中系數為2.09。

2.2 工況二：豎向加載

將水平板左右兩側約束，將豎板下側約束，上側分5級施加0～500 kN。當施加力為500 kN時，有限元計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 僅施加豎向力時Y方向應力云圖

圖5 僅施加豎向力時X方向應力云圖

從圖4中可以看出，應力最大的部位出現在豎板焊趾處，Y方向最大應力為328 MPa，該部位的名義應力為208 MPa，應力集中系數為1.57。

2.3 工況三：豎向和水平向雙向加載

將水平板左側和豎板下側約束，水平板右側，豎板上側分5級分別施加0～150 kN和0～500 kN。當施加力分別為150 kN和500 kN時，有限元計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 雙軸加載時X方向應力云圖

圖7 雙軸加載時Y方向應力云圖

從圖6、圖7中可以看出，X應力最大的部位出現在水平板左側焊趾處，最大應力為259 MPa，應力集中系數為2.77，故此處極易發生疲勞裂紋，為避免此處發生破壞，試驗前應對此處進行錘擊；Y方向最大應力出現在豎板左側焊趾處，為368 MPa，應力集中系數為1.77，可見水平板應力集中系數要明顯大于豎向板。

3 靜載試驗分析

雙軸疲勞試件的試驗加載工況與有限元分析中工況一致，測點布置如圖8、圖9所示。

圖8 試件水平板上測點布置圖

圖9 試件豎板上測點布置圖

3.1 工況一：水平加載到150 kN

為考察應力分布規律，將實測應力標注在試件上。工況一試件測點實測應力值如圖10、圖11所示。

圖10 水平加載下水平板應力分布

圖11 水平加載下豎板應力分布

由圖10可知，水平加載時，最大測點分布在水平板與豎向板焊趾處。理論上,在150 kN的拉力下，水平板截面應力為94 MPa，東側上表面遠離焊趾測點應力分別為93 MPa和94 MPa。實測值與理論值比較接近，靠近焊趾處因為存在熱點應力，實測應力要大一些。東側水平板下側應力由東向西逐漸變小，表明約束端產生一定的彎矩。

由圖11可知，在水平荷載的作用下，豎板上西側荷載施加方向受到拉力，東側約束端一側豎板受到豎向壓力，表明在豎板約束的情況下，水平荷載使得豎板產生一定的彎矩，導致結構受力產生如此的傳力特征。

3.2 工況二：豎向施加500 kN

工況二試件測點實測應力值如圖12、圖13所示。

圖12 豎向加載下水平板應力分布

圖13 豎向加載下豎板應力分布

由圖12、圖13可以看出，豎向加載時，最大測點分布在豎向板與水平板焊趾處。理論上，在500 kN的拉力下，豎板截面應力為208 MPa，南側靠近焊趾截面上、下側平均應力分別為297 MPa和268 MPa。北側靠近焊趾截面上、下側平均應力分別為149 MPa和86 MPa。南側要明顯大于北側，說明本結構存在一定的偏心。

豎板上、下側測點應力分別為233 MPa和177 MPa，水平板上側產生161 MPa的平均拉力，下側產生156 MPa的平均壓力，說明在豎向荷載作用下，因為東側存在固結約束，該處存在較大彎矩。西側水平板與豎向板焊趾處也有一定的彎矩，但是很小，主要是因為西側連接試驗機，試驗機具有球鉸能夠釋放一定的彎矩。

3.3 工況三：豎向施加500 kN，水平向施加150 kN

工況三試件測點實測應力值如圖14、圖15所示。

圖14 雙向加載下豎板應力分布

圖15 雙向加載下豎板應力分布

由圖14、圖15可知，豎向和水平向同時加載時，最大測點分布在豎向板與水平板焊趾處。豎板最大應力為364 MPa，在豎向板西側焊趾處；水平板最大應力為340 MPa，在水平板東側焊趾處。

從應力數值上看，雙向受力的時候相當于兩個單向受力測試數據的疊加。水平板板厚方向的受力非常小，這說明雙向荷載作用下，應力仍然借由焊縫連接部位來傳力，但是會使與之垂直的結構產生次應力。

4 結束語

本文主要對某公鐵兩用橋下層鐵路正交異性板的關鍵焊接部位——整體節點雙向應力焊縫構造進行有限元建模和靜載試驗對比分析，得出的結論是，各疲勞試件有限元計算得到的最大應力集中部位基本在疲勞試驗破壞部位，有限元分析結果指導了試件設計和試驗過程，達到了預期效果。