鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細節疲勞應力有限元分析

周 維，于浩楠

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

近年來，能夠智能化制造，具有輕質高強優勢的正交異性鋼橋面板在橋梁建設，尤其是在如蘇通長江大橋、武漢青山長江大橋和港珠澳大橋等大跨徑橋梁的建設中得到了廣泛應用[1-2]。

正交異性鋼橋面板由頂板、縱肋和橫隔板三者相互焊接而成，然后將其整體焊接于主梁腹板頂部，作為主梁一部分承受軸力和彎矩作用。正交異性鋼橋面板本身縱向支承于橫隔板上，頂板和縱肋呈現第二體系多點支承連續梁受力特征。在縱橫向輪載作用下，由于橋面板各板件相互焊接，幾何構型復雜，局部應力突出，既有文獻研究表明，鋼橋面板疲勞問題主要受第二體系影響，且疲勞應力具有顯著的局部性特征[1]。

鋼橋面板由多個疲勞易損細節組成。參考相關文獻統計結果[1]，縱肋與橫隔板交叉細節疲勞開裂占所有開裂中的38.2%，是鋼橋面板開裂比例最高的疲勞易損細節。縱肋與橫隔板交叉細節具有多種疲勞開裂模式，其中裂紋萌生于縱肋圍焊焊趾處的疲勞失效模式容易裂穿縱肋，形成貫穿型裂紋后，迅速沿著縱肋厚度向頂板方向發展，威脅行車安全和結構的耐久性。國內外學者對鋼橋面板縱肋與頂板焊接細節研究較多，而針對縱肋與橫隔板交叉細節缺少較為系統的研究。本文以某斜拉橋鋼橋面板為研究背景，采用有限元數值模擬方法，在所選取疲勞節段模型的基礎上，對縱肋與橫隔板交叉細節的疲勞應力幅進行研究，以期提高對鋼橋面板疲勞問題的認識。

1 研究對象

鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細節的疲勞失效模式見圖1，該細節對應3 種疲勞失效模式：

圖1 縱肋與橫隔板交叉細節疲勞失效模式

失效模式Ⅰ：裂紋萌生于圍焊縱肋焊趾，沿縱肋腹板擴展。

失效模式Ⅱ：裂紋萌生于圍焊橫隔板焊趾，沿橫隔板擴展。

失效模式Ⅲ：裂紋萌生于橫隔板開孔，沿橫隔板擴展。

2 疲勞節段模型

以某斜拉橋橋面板為研究背景，主要參數：頂板厚度為16 mm，縱肋高×上口寬×厚度為300 mm×300 mm ×8 mm，橫隔板厚度為14 mm，橫隔板間距為3 m，縱肋與橫隔板圍焊焊腳尺寸為8 mm；鋼材采用Q 345qD，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。參考文獻[2-3]，橫向取3 個縱肋長度、縱向取3 個橫隔板間距的節段模型能夠反映縱肋與橫隔板交叉細節的實際受力狀態。本文所選取的節段模型幾何尺寸見圖2。

圖2 節段模型幾何參數（單位：mm）

縱肋與橫隔板交叉細節尺寸與應力關注點見圖3。圖3 中，應力關注點1 位于縱肋圍焊焊趾處；應力關注點2 位于橫隔板圍焊焊趾處；應力關注點3 位于橫隔板開孔半徑為25 mm 的圓弧中點處；應力關注點4 位于橫隔板開孔半徑為25 cm 和73 cm 的圓弧相切處；應力關注點5 位于橫隔板開孔半徑為73 mm的圓弧中點處。疲勞失效模式Ⅰ對應應力關注點1，疲勞失效模式Ⅱ對應應力關注點2，疲勞失效模式Ⅲ對應應力關注點3、4、5。

圖3 縱肋與橫隔板交叉細節尺寸與應力關注點（單位：mm）

3 有限元模型

3.1 疲勞車荷載

參考歐洲規范（Eurocode 3）[4]（簡稱歐規），本文所選取的疲勞車車輪信息見圖4。圖4 中，單個輪載為60 kN，尺寸為40 cm×40 cm，w 為車輛橫向輪廓長度。研究表明，疲勞車輪載作用下，鋼橋面板疲勞應力影響范圍較小，可采用單側前后輪進行加載，因此本文考慮的疲勞車荷載情況為單側前后輪荷載。

圖4 疲勞車信息（單位：cm）

3.2 有限元模型

利用ANSYS 有限元軟件，對疲勞節段模型頂板、縱肋和隔板進行離散化，得到本文所分析的有限元模型（見圖5）。

圖5 有限元模型

圖5 中，對縱肋與橫隔板交叉細節子模型進行網格加密處理，單元類型為solid95，模型其余部分采用solid45 單元。本文所關注的縱肋與橫隔板交叉細節位于中間縱肋（U 2）與中間橫隔板相交處靠近縱肋（U 3）方向的橫隔板開孔位置。橫向采用3 種加載工況進行考慮[5]，工況1：輪載位于縱肋（U 2）正上方；工況2：輪載騎跨在縱肋（U 2）上；工況3：輪載位于縱肋（U 2）與縱肋（U 3）之間。為方便計算，采用單輪加載形式，圖4 所示單側前后輪計算結果通過單輪應力影響線疊加得到。縱向加載時，加載范圍從第1 跨左側橫隔板正上方開始，每100 mm 為1 個加載步長進行移動加載，直至第2 跨右側橫隔板正上方位置結束。

模型約束條件如下：模型橫向兩側均約束橫向位移（即X 方向），豎向約束底板豎向位移（即Y 方向），縱向一側約束頂板和縱肋的縱向位移（即Z 方向），以模擬所選取的節段模型受到的周圍梁體支承作用。

4 計算結果分析

在缺少對縱肋與橫隔板交叉細節應力特點深刻認識的基礎上，針對所關注的5 個應力關注點，分別提取各位置的第1 主應力σ1、第2 主應力σ2和第3主應力σ3數據，通過比較主應力數值大小，首先確定應力關注點疲勞應力幅由何種主應力控制，然后再進一步分析各應力關注點應力幅的大小，以確定該細節最大疲勞應力幅。所關注的5 個應力關注點主應力縱向應力歷程見圖6，其中橫坐標表示單側前后輪應力疊加后，前后輪中心位置（見圖4）相對中間橫隔板的距離。

圖6 各應力關注點縱向應力歷程曲線

研究表明：（1）各應力關注點在工況2 作用下，其疲勞應力幅最大，因此工況2 是縱肋與橫隔板交叉細節最不利加載工況；（2）應力關注點1、2 受主拉應力幅控制，應力關注點3、4、5 受主壓應力幅控制；（3）圍焊縱肋焊趾（應力關注點1）疲勞應力幅為83.6 MPa，圍焊橫隔板焊趾（應力關注點2）疲勞應力幅為67.0 MPa，橫隔板開孔圓弧處（應力關注點3、4、5）疲勞應力幅為120.2 MPa，小半徑圓弧中心處達到最大值；（4）各應力關注點在單側前后輪中心點作用于橫隔板正上方時均達到應力峰值。

5 結語

（1）鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細節不同位置的應力特征差別較大，圍焊處疲勞應力幅受主拉應力控制，橫隔板開孔處受主壓應力控制。

（2）在歐規疲勞車荷載作用下，所選取的疲勞節段模型中，圍焊縱肋焊趾疲勞應力幅為83.6 MPa，圍焊橫隔板焊趾疲勞應力幅為67.0 MPa，橫隔板圓弧開孔疲勞應力幅為120.2 MPa。