橫隔板間距對正交異性鋼橋面板疲勞應力的影響研究

伍曉偉　孔凱歌

摘要：文章以節段足尺模型為分析對象，基于ANSYS有限元軟件，對實橋中應用較廣的2 m、2.5 m和3 m三種橫隔板間距對正交異性鋼橋面板疲勞應力的影響進行研究，得到了相應的鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節的縱向疲勞應力歷程曲線。研究結果表明，縱肋與頂板疲勞易損細節疲勞應力受主壓應力控制，橫隔板間距為3 m時疲勞應力幅相對較小，其疲勞性能較好。

關鍵詞：正交異性鋼橋面板;有限元軟件;縱肋與頂板疲勞易損細節;疲勞性能

中圖分類號：U443.33

0 引言

正交異性鋼橋面板具有自重輕、承載力高的力學特點，適合于自動化和智能化制造。在目前橋梁建設中，尤其是大跨徑橋梁中，鋼橋面板得到了廣泛的應用。然而，鋼橋面板在具有突出力學優勢的同時，也表現出嚴重的疲勞特點，其主要原因在于：橫隔板、頂板與縱肋三者相互焊接，幾何構型不連續造成輪載作用下應力集中嚴重，形成了一些疲勞易損細節。相關文獻資料表明[1]，鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節所產生的疲勞開裂占鋼橋面板所有開裂情況的30.2%，且此疲勞易損細節開裂模式為裂紋萌生于焊根，沿頂板厚度方向擴展，在疲勞裂紋未完全貫穿頂板之前，檢測難度大，且難以采取有針對性的加固措施，因此縱肋與頂板疲勞易損細節是鋼橋面板危害最為嚴重的疲勞易損細節[2-3]。

縱肋與頂板疲勞易損細節的疲勞應力主要由鋼橋面板結構尺寸所決定，其中橫隔板間距是重要的影響因素之一。本文基于ANSYS有限元軟件，分析了實橋中常見的橫隔板間距分別為2 m、2.5 m和3 m的縱肋與頂板疲勞易損細節的疲勞應力。通過本次對比研究，有利于設計者提高對鋼箱梁疲勞應力的認識及正確把握橫隔板間距的選取。

1 疲勞節段模型

本文以國內某斜拉橋鋼箱梁為工程案例，其鋼箱梁縱肋與頂板疲勞易損細節采用單面焊焊接工藝。為方便理解，圖1所示為單個縱肋的鋼橋面板示意圖，以說明鋼橋面板縱肋與頂板單面焊疲勞易損細節所在位置。

結合相關研究資料[1]，鋼橋面板疲勞易損細節所產生的疲勞問題屬于局部問題，橫向可取5個縱肋，縱向取4個橫隔板的節段足尺模型就能夠反映縱肋與頂板疲勞易損細節的疲勞特性。此處按照上述原則選取疲勞節段足尺模型，主要尺寸參數如下：橫隔板間距為L，L取2 000 mm、2 500 mm和3 000 mm，縱肋懸臂端長度為500 mm，縱肋尺寸為300 mm×300 mm×8 mm（高×上部開口寬×厚），頂板厚度為16 mm，橫隔板厚度為14 mm，取關注位置位于第二跨跨中中間縱肋處。疲勞節段模型幾何尺寸和關注位置如圖2所示。鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節主要尺寸為：頂板焊腳尺寸為12.1 mm，焊根未熔透高度為1 mm，焊縫縱肋處焊趾至頂板底面高度為9.2 mm，焊縫角度α和β分別為50°和130°。根據實橋統計結果，鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節主導疲勞失效模式為焊縫萌生于焊根沿頂板厚度方向擴展，焊縫參數和主導疲勞失效模式如圖3所示。

2 有限元模型

2.1 邊界條件及荷載

為了反映圖2所選取的疲勞節段足尺模型在鋼箱梁中的約束情況，根據實際變形特點，模型橫向對兩側頂板進行約束，縱向對一側懸臂端部頂板與縱肋進行約束，模型豎向對4個隔板底部進行約束，以確保疲勞節段足尺模型能夠縱向變形。此處所施加的荷載選取為歐洲規范的標準疲勞車荷載模型[4]，橫向輪距為2.0 m，縱向最小輪距為1.2 m。根據相關文獻資料[3]，疲勞應力受單側相鄰的最小輪距的影響，疲勞應力不受橫向2.0 m輪距的影響，因此，實際加載時，選取單側相鄰的兩個輪進行加載，所選取的輪載如圖4所示，其中w為歐洲規范中疲勞車輪廓寬度。

根據參考文獻[3]，確定模型橫向加載位置，即騎縱肋加載形式。就該形式下鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節疲勞應力較為不利，同時該橫向加載位置也為鋼橋面板典型疲勞加載工況。縱向加載考慮到第一跨和第三跨對中跨的卸載作用，加載時縱向采用三跨范圍內進行移動加載，以獲得縱向疲勞應力歷程曲線。

2.2 有限元模型

基于ANSYS有限元軟件，對所選取的疲勞節段足尺模型進行離散化，跨中關注位置采用solid95二次實體單元，其余位置采用solid45實體單元。對跨中關注位置有限元網格進行細化，網格尺寸控制在4 mm以內，以提高計算精度。模型網格整體采用結構化網格形式，其中頂板橫向關注位置至非關注位置區域采用過渡網格形式，以提高計算精度和效率。有限元模型如下頁圖5所示。

3 結果分析

通過ANSYS有限元軟件進行參數化建模，可以很方便地得到橫隔板間距分別為2 m、2.5 m和3 m的三種有限元模型。主應力是衡量鋼橋面板疲勞應力的重要指標，此處通過提取第一至第三主應力，有利于設計人員加深對鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節疲勞特性的認識。模型縱向加載時，取縱向移動步長為100 mm，由于結構對稱，且雙輪作用下的疲勞應力可通過單輪應力進行影響線疊加得到，因此，為便于分析，加載時采用單輪進行加載。三種橫隔板下加載步數分別為：橫隔板間距為2 m時，加載步長為31荷載步;橫隔板間距為2.5 m時，加載步長為39荷載步;橫隔板間距為3 m時，加載步長為46荷載步。通過提取計算結果，得到三種橫隔板間距下的疲勞主應力曲線如圖6所示。

計算結果表明：（1）橫隔板間距對鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節疲勞應力影響較大。就第一主應力至第三主應力變化曲線而言，主壓應力水平較大，因此該疲勞易損細節在歐規疲勞車作用下，受力以主壓應力為主。

（2）從鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節縱向疲勞應力歷程曲線可知，橫隔板間距為2 m、2.5 m和3.0 m的疲勞主壓應力幅分別為55.3 MPa、52.4 MPa和45.9 MPa。由于該細節具有峰值較大的焊接殘拉應力[1]，因此，相比較而言，考慮殘余應力后，橫隔板間距為3 m時，疲勞性能較好。

（3）三種橫隔板間距下，疲勞應力幅均較低，均滿足歐洲規范<71 MPa的要求[4]。

4 結語

（1）基于ANSYS有限元軟件，分別得到了橫隔板間距分別為2 m、2.5 m和3 m的三種鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節縱向疲勞應力歷程曲線。

（2）鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細節疲勞應力受主壓應力幅控制，三種橫隔板間距下疲勞應力幅均滿足歐規要求，且當橫隔板間距為3 m時，疲勞應力幅相對較小。

參考文獻

[1]張清華，卜一之，李 喬.正交異性鋼橋面板疲勞問題的研究進展[J]. 中國公路學報，2017，30（3）： 14-30.

[2]卜一之，金正凱，黃 云，等. 鋼橋面板縱肋頂板焊縫疲勞裂紋擴展的關鍵影響因素[J]. 中國公路學報，2019，32（9）： 61-70.

[3]羅鵬軍，張清華，龔代勛，等.鋼橋面板U肋與頂板雙面焊連接疲勞性能研究[J].橋梁建設，2018，48（2）：19-24.

[4]EN1993-2.Eurocode 3，Design of Steel Structures [S].

作者簡介：

伍曉偉（1992—），碩士，工程師，主要從事道橋設計工作;

孔凱歌（1989—），碩士，工程師，主要從事橋梁結構設計工作。