橫隔板弧形開口部位的疲勞裂紋力學成因探索

章正濤，陳 明

江蘇潤揚大橋發展有限責任公司，江蘇 鎮江 212115

在役鋼橋出現疲勞裂紋的典型部位主要包括橫隔板弧形開口部位；橫隔板與U肋焊縫部位；U肋與頂板焊縫部位；U肋縱向對接連接部位。根據江蘇省某跨江懸索橋已有檢測數據發現，該橋鋼箱梁發生裂紋的主要位置為橫隔板上過U肋弧形孔的自由邊；U肋與頂板角焊縫的焊趾處。此次研究主要分析鋼箱梁在輪載作用下，U肋、頂板及橫隔板的變形與應力，以期對該橋后續的疲勞病害防治與修復進行指導。

1 有限元局部模型

分析采用大型通用有限元軟件ANSYS建立鋼箱梁局部模型，鋼箱梁在車輛荷載作用下的應力和變形主要為第三體系的局部效應，因此橫向選擇5個完整的U肋，縱向選擇3個橫隔板的鋼箱梁局部階段建立有限元模型，U肋和橫隔板相關尺寸及參數均按鋼箱梁實際數值取用，模型尺寸為6400mm×3000mm×3000mm，主要考察位置為中央橫隔板及中間U肋。

為分析輪載作用下中央橫隔板弧形孔的自由邊變形情況，有限元模型采用SHELL181單元模擬鋼箱梁，單元總數為261323個。鋼材的彈性模量取為206GPa，泊松比值為0.3，考慮到殼單元的特性，焊接連接部位采用共節點的方式進行模擬[1]?？刂普w網格劃分尺寸，對疲勞易損部位單元進行二次細化，細化長度為中央橫隔板兩側2000mm，二次細化后的單元尺寸小于頂板厚度，根據已有相關文獻資料的研究分析，該單元尺寸對結構局部計算的應力結果已趨于穩定[2]。將鋼橋面板四周和3個橫隔板底部固結。鋼箱梁局部示意圖如圖1所示，鋼箱梁局部有限元模型如圖2所示。

圖1 鋼箱梁局部示意圖（單位：mm）

圖2 鋼箱梁局部有限元模型

2 橫向加載

2.1 加載工況

根據受力分析可知，車輛荷載作用下鋼橋面板受力體系具有明顯的局部效應，且考慮到鋼橋面板各構造細節應力的橫向影響線較短（約3個U肋），因此采用單側車輪加載。結合分析模型的尺寸大小，同時結合相關規范，取后面兩軸的單側雙車輪來模擬標準疲勞車的作用，單軸加載取140kN，施加在單側的雙輪上的荷載為70kN，加載尺寸為600mm×200mm（縱向×橫向），加載時未計入沖擊系數，不考慮鋪裝層影響。

為確定各疲勞細節考察點的最不利加載位置，在參數化有限元模型上進行縱向和橫向加載。根據分析模型的尺寸，對稱性橫向加載方式為從加載車輪的縱向中心線與模型中線對齊處向邊側橫向移動加載，車輪的縱向作用位置固定為中橫隔板前后100mm，車輪荷載橫向每次移動步長150mm（半個U肋開口寬度），縱向加載方式為從兩輪的中線與中間橫隔板對齊處沿縱向移動加載，每次移動步長100mm。為確定疲勞細節考察點的最不利加載位置，先試算橫向位置，然后進行縱向加載，每次提取疲勞細節考察點處的主拉應力，以最大主拉應力值所對應的橫向加載位置作為縱向加載部位。在此基礎上，保持橫向加載位置不變，以100mm為步長進行縱向加載求解。選擇中間U肋過中橫隔板的弧形孔自由邊最外側為疲勞細節考察點，對其進行變形和應力分析[3]。橫向加載總計9個荷載工況。橫向加載方向及考察區域如圖3所示，橫向加載范圍示意圖如圖4所示。

圖3 橫向加載方向及考察區域（單位：mm）

圖4 橫向加載范圍示意圖（單位：mm）

2.2 計算結果分析

針對橫向加載的9個車輪荷載工況，提取疲勞細節考察點的有限元模型結果，主要提取該點的變形和最大主拉應力，當車輪中心位于疲勞細節考察點時，該點的第一主應力（此時為拉應力）達到最大值6.5829MPa，此時即為橫向最不利加載位置。

3 縱向加載加載工況

為分析疲勞細節考察點開裂的力學成因，在找到橫向最不利加載位置后，縱向加載時分別考察該點頂面、中面及底面的主拉應力，并假設面外彎曲作用方向垂直于板厚方向，應力沿板厚方向均勻分布，則可認為壁板兩側應力較大的點為面內應力與面外應力線性疊加而成；應力較小的點為面外應力與面內應力線性相減而成，在求得疲勞細節考察點的頂面和底面應力后，可根據二元一次方程求解出面內和面外應力各自的大小。

假設面內應力值為X，面外應力值為Y?？疾禳c較大應力值為A，較小應力值為B，則有X+Y=A、X-Y=B。

通過有限元分析求解得到疲勞細節考察點頂面、底面應力后，可計算出面內應力值X和面外應力值Y?？v向加載范圍示意圖如圖5所示。

圖5 縱向加載范圍示意圖（單位：mm）

4 結論

（1）結合疲勞細節考察點，縱向最不利加載位置為車輪橫向中心線距中橫隔板位置100mm處（即車輪在縱向著地的邊緣剛好位于中橫隔板上）。

（2）車輛在縱向行駛時會引起橫隔板面內和面外發生彎曲變形，但面內彎曲占主要部分，并且面外應力整體上隨著車輪縱向位置遠離中橫隔板的距離的增大而增大，車輛在最不利位置處時，疲勞考察點的面內彎曲變形占比超過90%。

（3）引起橫隔板弧形缺口自由邊緣處產生疲勞裂紋的力學原因，主要是橫隔板的面內彎曲變形。面內彎曲應力沿板厚接近均勻分布，因此該位置裂紋一旦產生，將有沿著橫隔板厚度方向裂穿的趨勢。