基于ANSYS的鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節疲勞應力分析

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，主要的構造細節包含兩類：縱肋與頂板構造細節和橫隔板與縱肋交叉構造細節，在這兩類構造細節中，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分為橫隔板節間內(RD細節)和橫隔板處(RDF細節)兩類[1]，其中橫隔板處的縱肋與頂板焊接細節受力更為不利，關于該細節的相關研究較少。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為研究對象，圖1給出了該細節的位置示意。

圖1 正交異性鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(RDF細節)位置示意

參考相關研究文獻[2]，所采用的焊縫參數主要為：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°。相關參數如圖2所示。

圖2 雙面焊焊縫參數圖(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，所采用的節段模型幾何參數如圖4所示。

圖4 節段模型幾何參數(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，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(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軟件對疲勞節段幾何模型進行離散化，關注位置網格控制在3mm內，單元類型為solid95實體單元，關注位置外網格尺寸較大，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由于頂板支承在U肋上，局部輪載作用下主要表現為壓應力，為清晰認識該細節受力特征，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主壓應力主要受橫隔板正上方的輪載作用，且應力數值較大。

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，根據所選取的歐規(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，以便進行數據分析，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]，該細節實際處于拉-拉應力循環狀態，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的熱點應力有限元分析模型，得到了該細節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。