基于ANSYS的鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)疲勞應力分析

朱新安

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司合肥分公司 合肥市 230001)

0 引言

鋼橋疲勞問題是橋梁研究中的熱點問題，相關研究主要包含鋼橋面板疲勞和鋼吊桿銹蝕疲勞等方面。鋼橋面板作為鋼箱梁直接承重構件，不僅要保障橋梁結構承載能力滿足要求，同時，兼具車輛荷載反復作用下疲勞性能滿足規(guī)范要求的任務。

正交異性鋼橋面板在鋼橋中的應用最為廣泛，主要的構造細節(jié)包含兩類：縱肋與頂板構造細節(jié)和橫隔板與縱肋交叉構造細節(jié)，在這兩類構造細節(jié)中，前者對結構危害程度最大，裂紋一旦裂穿頂板將會造成縱肋銹蝕。而縱肋與頂板構造細節(jié)分為橫隔板節(jié)間內(RD細節(jié))和橫隔板處(RDF細節(jié))兩類[1]，其中橫隔板處的縱肋與頂板焊接細節(jié)受力更為不利，關于該細節(jié)的相關研究較少。目前，由于焊接工藝的不斷改進，雙面焊焊接技術已經(jīng)應用于鋼橋面板制造當中[2]，主要以雙面焊為研究對象，考慮到正交異性鋼橋面板板件相互焊接，構造受力復雜，此處主要借助ANSYS有限元軟件，采用IIW推薦的熱點應力方法[3]，對橫隔板處的縱肋與頂板雙面焊構造細節(jié)進行研究。

1 研究對象

以正交異性鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)為研究對象，圖1給出了該細節(jié)的位置示意。

圖1 正交異性鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)(RDF細節(jié))位置示意

參考相關研究文獻[2]，所采用的焊縫參數(shù)主要為：焊根未熔透高度為1mm，內外側焊縫高度分別為6mm和9.4mm，內外側焊腳尺寸分別為6mm和12.2mm，U肋坡口角度為50°。相關參數(shù)如圖2所示。

圖2 雙面焊焊縫參數(shù)圖(單位：mm)

2 分析方法

橫隔板位置處的縱肋與頂板焊接細節(jié)開裂模式為裂紋從內側焊縫頂板焊趾沿頂板厚度方向擴展，因此主要分析內側焊縫頂板焊趾位置處的應力情況。目前分析方法包含名義應力法、熱點應力法、切口應力法、斷裂力學法和損傷力學法，其中熱點應力法網(wǎng)格敏感性較低，且不需要考慮非線性峰值應力，不受焊縫局部幾何特征尺寸影響，計算精度較高。

熱點一般指焊趾部位的裂紋萌生點，在計算熱點應力數(shù)值時，IIW推薦了3種方法，本文采用第1種計算方法，即通過距內側焊縫頂板焊趾0.4倍的板厚位置點σ0.4t和1.0倍的板厚位置點σ1.0t的應力數(shù)值線性外推得到焊趾處熱點應力σhs，分析位置的計算圖示如圖3所示。

圖3 分析對象熱點應力外推圖示

熱點應力外推公式見式(1)，其中應力通過ANSYS有限元軟件進行提取得到。

σhs=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

3 有限元模型

3.1 節(jié)段模型選取

以某斜拉橋橋面板為工程背景，橋面板采用正交異性鋼橋面板形式，橫隔板間距為3000mm，高度為700mm，厚度為14mm，頂板厚度為16mm，U肋尺寸為300mm×300mm×8mm(高×寬×厚)，節(jié)段模型鋼材材料為Q345qD，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，所采用的節(jié)段模型幾何參數(shù)如圖4所示。

圖4 節(jié)段模型幾何參數(shù)(單位：mm)

關注位置取中間橫隔板和中間U肋右側處的縱肋與頂板焊接細節(jié)，為反映該位置的受力特征，圖4選取兩跨(即三個橫隔板間距)進行分析，以保證分析結果的準確性。

3.2 加載工況與約束確定

疲勞荷載采用歐規(guī)(Eurocode 3)標準疲勞車輛荷載模型Ⅲ形式(單車模型)[4]，單輪輪載面積為400mm×400mm，軸重為120kN，因此圖4中P為60kN，由于U肋正上方加載工況(工況1)、騎U肋加載工況(工況2)和U肋間加載工況(工況3)三種加載工況能夠反映構造細節(jié)受力特征，因此本次分析時，采用以上三種工況進行縱向應力歷程計算。

模型的約束情況為：

(1)模型的橫橋向頂板進行橫向約束，以模擬周圍頂板對模型的橫向支撐作用。

(2)模型的縱橋向一端進行縱向約束，以限制縱向位移。

(3)對橫隔板底板進行豎向約束，以模擬鋼箱梁對橫隔板的豎向支撐作用。

3.3 有限元模型建立

在選定荷載工況下，偏安全不計鋪裝層的擴散作用，采用ANSYS軟件對疲勞節(jié)段幾何模型進行離散化，關注位置網(wǎng)格控制在3mm內，單元類型為solid95實體單元，關注位置外網(wǎng)格尺寸較大，單元類型為solid45實體單元，在保證計算精度的前提下，以提高計算效率。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

4 計算結果分析

三種加載工況，縱向荷載步長均取100mm，由于結構對稱，僅對單跨進行移動加載，每種工況下，各31個荷載步，有限元模型共設置93個荷載步。

鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)由于頂板支承在U肋上，局部輪載作用下主要表現(xiàn)為壓應力，為清晰認識該細節(jié)受力特征，以工況1為例，分別取單輪位于橫隔板一跨跨中和正上方時的主壓應力進行分析，如圖6所示，計算結果表明：橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)主壓應力主要受橫隔板正上方的輪載作用，且應力數(shù)值較大。

圖6 工況1主壓應力分布(單位：MPa)

由于應力結果是通過單加載得到，考慮到實橋為疲勞車單車模型，根據(jù)所選取的歐規(guī)(Eurocode 3)標準疲勞車輛荷載模型Ⅲ軸距和輪距信息，采用應力疊加法可得到單車作用下應力歷程信息，經(jīng)計算結果分析，疲勞應力主要受單側前后輪影響，以單側前后輪中心點為加載位置參考點，如圖7所示，以便進行數(shù)據(jù)分析，其中w為車身寬度。

圖7 加載位置參考點(單位：mm)

三種工況下橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)縱向熱點應力歷程計算結果如圖8所示。計算結果表明：

圖8 三種工況下縱向熱點應力歷程

(1)疲勞車作用下，橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)始終受壓，不同加載工況疲勞應力相差較大；

(2)U肋正上方加載工況縱向應力歷程數(shù)值均大于其他兩種加載工況，工況3(即U肋間加載工況)對關注位置應力波動較小，因此，鋼箱梁U肋設置時應盡可能使輪跡線處于U肋間，從而控制疲勞開裂點應力水平。

(3)橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)最大熱點應力幅值為81.4MPa，由于焊接殘余應力的存在[5]，該細節(jié)實際處于拉-拉應力循環(huán)狀態(tài)，疲勞開裂風險較大。

5 結論

(1)基于ANSYS有限元軟件，建立了鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)的熱點應力有限元分析模型，得到了該細節(jié)的縱向熱點應力歷程曲線。

(2)U肋正上方加載工況為鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(jié)疲勞應力控制工況，其熱點應力幅值為81.4MPa，結構設計時，應避免U肋正上方作為車輛輪跡線實際作用位置。