不同參數(shù)組合下縱肋頂板焊根關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化分析

吳曉東，朱金柱

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 431400；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造研發(fā)中心，湖北 武漢 431400；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 431400)

0 前 言

由于具有極限承載能力大、跨越能力強(qiáng)、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，正交異性鋼橋面板在國內(nèi)外公路和鐵路橋梁中應(yīng)用較為廣泛。然而，由于其焊縫眾多，應(yīng)力集中問題較為突出，并且在局部承受汽車輪載的反復(fù)作用下易出現(xiàn)疲勞開裂。由于疲勞裂紋初始時(shí)極難被發(fā)現(xiàn)，均是在發(fā)展到一定程度后被檢查出來，此時(shí)已經(jīng)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和安全產(chǎn)生了一定的影響，因此，疲勞開裂嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營[1]。在諸多疲勞易損細(xì)節(jié)中，縱肋頂板焊接細(xì)節(jié)所占比例較大，并且所造成的危害也最為嚴(yán)重[2]。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，80%～90%的鋼橋破壞與疲勞密切相關(guān)，疲勞已成為鋼橋結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一[3]。為了尋找不同參數(shù)組合下縱肋頂板焊根處關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律，本文建立了包含不同參數(shù)的有限元模型，提取離焊根5 mm處關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力，對(duì)比了不同參數(shù)組合下焊根處關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)簡介

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘伺c之對(duì)應(yīng)的有限元模型。試件頂板通過高強(qiáng)螺栓固定于試驗(yàn)工裝上。試件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：頂板厚度為14 mm或16 mm，U肋腹板厚度8 mm，縱肋腹板與頂板夾角為78°，熔透率取80%和100%兩種。加載面積為100 mm×160 mm。試件所施加荷載通過離焊趾5 mm處測點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行控制，本文所施加荷載大小分為55、80 MPa兩種。

2 有限元模型建立及模型驗(yàn)證

2.1 有限元模型的建立

本文通過有限元軟件建立試件有限元模型，取距焊縫中心處各6 cm焊縫長度作為子模型來模擬裂紋擴(kuò)展。鋼材彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。有限元模型及子模型如圖1所示。

(a)全局模型

2.2 模型有效性驗(yàn)證

根據(jù)斷裂力學(xué)[5-6]相關(guān)理論知識(shí)，可以得到裂紋擴(kuò)展疲勞壽命與裂紋擴(kuò)展長度之間的關(guān)系，通過與文章中實(shí)測結(jié)果對(duì)比，可以看出，理論結(jié)果能夠和實(shí)測結(jié)果較好的吻合。對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 有限元與實(shí)測結(jié)果對(duì)比圖

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算結(jié)果提取

基于已建立的有限元模型，設(shè)定裂紋初始尺寸及擴(kuò)展步長，從結(jié)果文件中提取關(guān)注點(diǎn)橫向應(yīng)力大小和中裂紋擴(kuò)展深度。方便對(duì)比起見，裂紋擴(kuò)展深度及應(yīng)力變化均處理為無量綱的百分比形式。不同參數(shù)下的對(duì)比結(jié)果如下。

3.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

不同荷載幅作用下關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力變化如圖3所示。

(a)不同荷載幅曲線對(duì)比1

通過圖3對(duì)比可知，當(dāng)熔透率和頂板厚度相同時(shí)，改變荷載幅的大小，應(yīng)力變化曲線基本無變化，荷載幅大小不會(huì)對(duì)應(yīng)力變化曲線產(chǎn)生影響。

不同熔透率下關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力變化如圖4所示。

(a)不同熔透率曲線對(duì)比1

通過圖4對(duì)比可知，測點(diǎn)應(yīng)力下降60%之前，曲線幾乎重合，熔透率對(duì)應(yīng)力曲線下降幾乎無影響；當(dāng)測點(diǎn)應(yīng)力下降超過60%以后時(shí)，應(yīng)力變化根據(jù)熔透率大小的不同而有所變化，但最大變化在2%以內(nèi)。總體來看，熔透率對(duì)焊根測點(diǎn)應(yīng)力變化影響有限，可以認(rèn)為熔透率對(duì)測點(diǎn)應(yīng)力變化影響不大。

不同頂板厚度時(shí)關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化如圖5所示。

(a)14 mm板厚時(shí)不同熔透率曲線對(duì)比

通過圖5對(duì)比可知，測點(diǎn)應(yīng)力下降60%之前，頂板厚度對(duì)應(yīng)力曲線下降幾乎無影響；當(dāng)測點(diǎn)應(yīng)力下降超過60%以后時(shí)，應(yīng)力變化根據(jù)頂板厚度大小的不同而有所變化，裂紋擴(kuò)展長度相同時(shí)，16 mm頂板厚度所對(duì)應(yīng)的曲線上焊根測點(diǎn)應(yīng)力下降較14 mm頂板厚度對(duì)應(yīng)曲線上測點(diǎn)應(yīng)力下降高3%左右。

4 結(jié) 論

1)通過理論結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2)模型施加荷載幅大小焊根關(guān)鍵位置測點(diǎn)應(yīng)力變化基本無影響。

3)熔透率和頂板厚度在測點(diǎn)應(yīng)力下降60%以前不會(huì)對(duì)應(yīng)力變化產(chǎn)生影響，當(dāng)測點(diǎn)應(yīng)力下降超過60%以后，熔透率和頂板厚度均會(huì)對(duì)焊根關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢產(chǎn)生一定的影響。

4)熔透率和頂板厚度對(duì)焊根關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化的后期影響均有限，不同熔透率應(yīng)力變化最大相差2%左右，不同頂板厚度應(yīng)力變化最大相差3%左右。

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