基于ANSYS有限元模擬的鋼箱梁橋面板抗疲勞分析

韋榮彬

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507）

0 引言

該文以沙某河大橋鋼箱梁主梁為例，通過有限元軟件ANSYS12.0對鋼箱梁橋面板疲勞問題進行仿真模擬分析。通過建立模型，分析在不同車輪輪位變化情況下，鋼箱梁橋面板頂板U肋疲勞細節處應力情況，得出疲勞最不利點，為設計、施工提供一定的指導性作用。

1 結構與材料

該文工程實例為沙某河大橋，橋型圖如圖1。主橋主梁為直腹板鋼箱連續梁，雙幅變截面。鋼箱梁頂板厚16 mm，在墩頂位置處變化為18 mm、20 mm，頂板U肋厚8 m，U肋中心距為600 mm，U肋高度為280 mm，U肋上端寬度為300 mm，箱梁順橋向每隔2.5 m設置一道橫隔板，箱梁腹板厚度為16～24 mm，梁高為2.3～4 m。頂板U肋的構造如圖2所示。

圖1 沙某河大橋

圖2 頂板U肋

2 計算理論

2.1 基本原理

正交異性鋼橋面板，即各向異性垂直方向上采用不同形式的肋進行加勁，使得加勁板整體的力學性能在各方向獲得最佳性能。輪軸荷載是正交異性鋼橋面板主要承受的荷載，同時也是鋼梁的上翼緣，參與鋼梁整體受力[1-2]。為了了解正交異性鋼橋面板的受力，人為地將其分成了3個基本體系：第一體系為全橋體系，橋面作為箱梁的上翼緣的一部分，參與全橋受力；第二體系為橫肋支承在箱梁腹板（節點）上所形成的橋面體系，承受橋面局部車輪荷載；第三體系為頂板體系，頂板剛性連接（橫向支承）在縱肋腹板上端上，承受橋面局部車輪荷載。

車輪荷載的反復作用直接由橋面板承擔，加上焊接節點不可避免的焊接缺陷或者應力集中，使得橋面板結構極易產生疲勞開裂。

2.2 疲勞細節及其疲勞強度

從《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）[3]附錄C中表C.0.8可查得：正交異性鋼橋面板閉口加勁肋縱肋通過橫梁，縱肋下方挖孔，橫隔板厚度t≤12 mm時（如圖3所示），上焊縫下端位置處的疲勞細節類別Δσc=80，該細節定義為疲勞細節1。

圖3 疲勞細節1

蓋板與梯形加勁肋的連接焊縫當屬于部分熔透，且a≥t時，疲勞細節類別Δσc=70，該細節定義為疲勞細節2。驗算板內彎曲引起的正應力幅Δσ。

圖4 疲勞細節2

2.3 疲勞荷載計算模型

查《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）可知，橋面系構件驗算疲勞應采用單車模型的計算模型Ⅲ。

采用疲勞荷載模型Ⅲ計算正交異性鋼橋面板疲勞應力時，加載區域遵循《公路鋼結構橋梁設計規范》第5.5.7條進行布置。

2.4 交通量分析及疲勞損傷系數

根據相關資料，查得該橋交通量為22 014 pcu/日。

該工程實例所在道路：

Ny（計算車道的年總交通量）=22 014×365

=8 035 110

Nly（主車道的重車年交通量）=0.95pNy/j

=0.95×0.8×8 035 110/1=6 106 684

p（重車在總交通量中所占的比率）=80%

j（上慢車道與主車道數量和）=1

Q0（疲勞荷載模型車總重）=480 kN

查《公路鋼結構橋梁設計規范》附錄D 第D.0.2條可以算得交通流量系數為：

2.5 其他損傷等效系數分析

γ1為損傷效應系數，按《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）附錄D中的圖D.0.1-1取值：

該項目取L=92 m，L已經大于80 m，按80 m計算，得到：γ1=2.55-0.01*（L-10）=1.85。

設計壽命影響系數，按下式計算：

多車道效應系數γ4=1。

2.6 疲勞驗算公式

采用疲勞荷載計算模型Ⅲ時，應按下列公式驗算：

式中，疲勞荷載分項系數γFf=1.0；疲勞抗力分項系數γMf=1.15；尺寸效應折減系數ks=1.0；損傷等效系數γ=γ1*γ2*γ3*γ4≤γmax，（γ1～γ4在上述小節中已求解），γmax按照《公路鋼結構橋梁設計規范》附錄D中圖D.0.5取值，為γmax=2.0，所以，得到：

γ=1.85*1.65*1*1=3.05＞γmax=2.0，因此，取γ=2.0。

在接下來的章節中，通過有限元求解式（1）中的疲勞應力幅ΔσE2。

3 有限元建模分析

3.1 橋面板局部有限元模型及加載方式

在車輛荷載作用下引起的全橋體系的應力中，鋼橋面板的占比成分很小，并且車輛荷載局部作用的影響范圍也相當有限[4]。該文選取局部模型進行分析，計算模型如圖5所示。

圖5 橋面板局部有限元模型

3.2 疲勞細節驗算

（1）車輪荷載橫橋向移動分析。疲勞細節1、2從左到右依次編號為1～26，如圖6所示，車輪荷載從左側第一個U肋中心開始橫向移動共86步，每步間隔0.06 m，依次編號為1～86。

圖6 橫向加載示意圖及疲勞細節編號（尺寸單位：m）

通過計算分析1～26號疲勞細節在上述車輪位的橫向移動下的應力歷程結果，得其中最大應力發生在10#橫向車輪位處。

（2）車輪荷載順橋向移動分析。以10#橫向車輪位為區域1，按照圖7所示順橋向的加載，車輪荷載縱向移動間距為0.2 m每步，共30步，依次編號為1～30#。可得10#點在區域1～5的應力歷程具體數值見表1。

圖7 車輪荷載順橋向移動加載示意圖（尺寸單位：m）

表1 10#車輪位點應力歷程表

按照式（1）可得：γFfΔσE2=42.6≤ksΔσc/γMf=80/1.15=69.6，經驗算，滿足規范要求。

3.3 疲勞細節2驗算

（1）車輪荷載橫橋向移動分析。疲勞細節2與細節1類似，從左到右依次編號為1～26，如圖6所示，車輪荷載從左側第一個U肋中心開始橫向移動共86步，每步間隔0.06 m，依次編號為1～86。

分析1～26號疲勞細節在上述車輪位的橫向移動下的應力歷程，得8#點為最不利點，該處的最大應力發生在28#橫向車輪位處。

（2）車輪荷載順橋向移動分析。以28#橫向車輪位為區域1，進行順橋向的加載，車輪荷載縱向移動間距為0.2 m每步，共43步，依次編號為1～30#。可得在區域1～5的應力歷程具體數值見表2。

表2 28#車輪位點應力歷程表

按照式（1）可得：γFfΔσE2= 56.9≤ksΔσc/γMf=70/1.15=60.9，經驗算，滿足規范要求。

驗算結果表明，疲勞細節1和疲勞細節2的疲勞強度滿足規范要求。同時由上述分析結果可以看出，邊腹板兩側的焊接節點為橫向最不利點。其原因是該處橋面板處于剛度突變處，從而導致在車輪荷載作用下，該處附近的焊縫受力更為不利。并且由于在實際的運營階段，重車靠邊行駛，其車輪落在疲勞細節1和疲勞細節2的橫向最不利輪位的概率會較大（如圖8所示），所以在設計、施工制造過程中應重視邊腹板附近區域的焊縫焊接質量。

圖8 疲勞最不利點區域示意圖（單位：cm）

4 結語

該文結合工程實例，通過運用有限元軟件ANSYS12.0對鋼箱梁橋面板疲勞問題進行仿真模擬分析可知，鋼箱梁橋面板頂板U肋疲勞細節處的疲勞最不利點位于邊腹板附近區域。在項目設計、施工過程中，應重視邊腹板附近區域的細節設計以及施工過程中重視焊縫的焊接質量。