基于局部精細化有限元模型的鋼箱梁橋疲勞壽命評估研究

樊星辰

(合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

鋼橋具有跨越能力強、施工周期短、易安裝、構件檢視維修更換等優良特性，廣泛應用在大跨徑跨江、跨海及市政工程建設中。而在運營期間，鋼橋在汽車、風等外界荷載長期反復作用下，產生疲勞損傷。近年來國內外學者對鋼橋疲勞問題開展了大量研究，取得了一定成果，但仍有不足。例如，我國規范未考慮疲勞車輛荷載多車效應和沖擊效應，鋼板厚度對于疲勞壽命影響等研究較少等等。針對以上不足，本文基于我國現行《公路鋼結構橋梁設計規范》中的修正S-N曲線，以(45+70+45)m鋼箱梁橋為例，通過建立高效率的局部精細化有限元模型，對該橋進行疲勞壽命評估，同時分析局部板厚對疲勞壽命的影響。

1 疲勞車輛荷載

疲勞荷載包括車輛荷載、人群荷載、風荷載、地震荷載等，運營期間車輛荷載占主導，因此，疲勞壽命評估的第一步就是確定車輛荷載模型。通常確定疲勞車輛模型的方法主要有調查統計法和規范法，如表1所示。

表1 疲勞車輛荷載方法及優缺點對比

由于實橋交通數據獲取難度大，同時兼顧工程設計的普適應，本例參考我國現行《公路鋼結構橋梁設計規范》，選擇疲勞荷載計算模型III作為標準疲勞車荷載模型。該模型采用單車模型，模型軸載及分布規定，如圖1所示。

圖1 我國公路規范標準疲勞車輛模型III

2 沖擊作用及多車效應

我國現行橋梁規范未考慮疲勞車輛的沖擊作用對于疲勞壽命的影響。而橋梁運營期間，汽車行駛在橋面會引起結構振動，從而增加汽車荷載的作用效應，在對橋梁進行疲勞評估時，這部分增大效應不可忽略。本文借鑒美國公路橋梁設計規范AASHTO規范中沖擊系數取0.15。

正常運營中，橋梁不可避免存在多車同時行駛在一聯橋梁結構的情況，從而產生相對單車荷載增大的內力效應，加速疲勞細節處的破壞。因此，在疲勞壽命評估時也不應忽視多車效應的影響。我國現行鋼橋規范僅對疲勞荷載模型II雙車模型的布置距離做上限要求，但實際使用不便且無法統一。本文參考英國BS5400規范，采用修正系數法確定多車效應的增大系數，如圖2所示。本例中橋梁最大跨徑為70 m。按最不利情況對應的多車道修正系數K=1.3。

圖2 多車道效應修正系數圖中：y-同一車道上作用有多輛疲勞車時的修正系數；z-不同車道上作用有多輛疲勞車時產生同一符號應力情況下的修正系數；K-疲勞車在不同車道上單獨作用時產生的應力之比。

3 基于疲勞壽命研究基本方法

目前有關疲勞壽命研究的方法有基于S-N曲線和米勒線性累計損傷準則的傳統評估法、斷裂力學理論評估法、損傷力學理論評估法以及基于可靠度理論評估法等方法，如表2所示。

表2 疲勞壽命研究方法及優缺點對比

結合以上優缺點分析，本文采用傳統評估法對橋梁進行疲勞壽命評估。

4 疲勞壽命曲線

疲勞壽命曲線，即S-N曲線，也稱為wohler曲線。該曲線以疲勞壽命N為橫坐標，△σ為縱坐標，建立疲勞荷載和疲勞壽命之間關系。本文在對比國內外規范的疲勞強度曲線后選擇我國規范修正的S-N曲線作為本次評估的疲勞壽命曲線，對比選擇的技術路線如圖3所示。

圖3 基于國內外現行規范的疲勞壽命曲線分析選擇技術路線圖

5 基于有限元模型的鋼橋疲勞壽命計算

使用有限元分析軟件Midas FEA建立多尺度局部精細化鋼箱梁橋有限元模型，如圖4所示。該橋中跨跨中三分之一段為2D板殼單元，其余部分為梁單元，不同單元通過附近節點形成剛性連接。通過局部精細化模型計算分析，重點研究中跨跨中區域疲勞細節處的疲勞壽命。參考國內學者研究成果，選擇疲勞細節部位為橫隔板與U肋連接處，如圖5所示。

圖4 局部精細化有限元模型

圖5 鋼箱梁橋跨中處疲勞細節示意圖

通過施加節點動力荷載，完成時程分析，得到應變隨時程的結果后與靜力加載條件下應變結果求比值，可繪出橫隔板與U肋連接處應力歷程，如圖6所示。

圖6 橫隔板與U肋連接處應力時程圖

根據本文前節所述，參考我國現行鋼橋規范中疲勞荷載計算模型III，分別(1)傳統S-N曲線；(2)我國規范修正的S-N曲線并考慮沖擊和多車效應兩種控制工況，對橋梁細部結構進行疲勞壽命評估，結果如表3，圖7所示。

表3 不同工況下疲勞壽命分析結果

圖7 考慮沖擊作用和多車效應的疲勞壽命分析結果

研究考慮沖擊及多車效應后不同鋼板厚度對于疲勞壽命影響。通過控制不同板厚參數，得到該橋控制點處疲勞壽命如表4所示。

由表4分析結果表明：(1)采用我國鋼結構規范修正的S-N曲線并考慮沖擊和多車效應對鋼箱梁細節處疲勞壽命評估是僅考慮傳統S-N曲線結果的0.8倍；說明僅采用修正的S-N曲線進行疲勞壽命評估偏不安全；(2)增大評估細節處的板厚會提高6%的疲勞壽命，而增大相接觸加勁肋板厚僅提高1%疲勞壽命。

表4 不同控制參數(板厚)疲勞壽命分析結果

6 結 論

本文參考國內外有關疲勞壽命評估的研究及現行規范，對比分析了疲勞壽命方法、疲勞壽命曲線等評估過程相關的優缺點。以(45+70+45)m鋼箱梁橋為例，建立Midas FEA局部精細化模型，通過控制參數改變，對細節處進行疲勞壽命評估對比。分析可知，采用我國規范修正的S-N曲線并考慮多車效應和沖擊效應的疲勞壽命評估偏安全，具有一定工程意義；適當增大板材厚度是提高疲勞壽命的簡單有效方法。