中外規(guī)范下鋼橋面板縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應(yīng)力對比分析

摘要：縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)是鋼橋面板主要疲勞易損細(xì)節(jié)之一，該細(xì)節(jié)萌生于圍焊處沿縱肋腹板斜向發(fā)展的疲勞裂紋危害嚴(yán)重。文章同時考慮國內(nèi)、國外兩種典型疲勞車形式，對鋼橋面板縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應(yīng)力進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果可為相似結(jié)構(gòu)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼橋面板；縱肋與橫隔板圍焊處；疲勞車；疲勞分析

中圖分類號：U443.32 A 48 169 3

0 引言

鋼橋面板一般由縱肋、橫隔板、頂板三種鋼板利用普通角焊縫、熔透焊焊接而成。目前，隨著工業(yè)化、智能化建造技術(shù)水平的提升，鋼橋面板制作工藝基本成熟穩(wěn)定，超聲波探傷、相控陣檢測等手段能夠使焊接質(zhì)量得到有效保障；加之鋼橋面板承載能力高，力學(xué)性能較好，適用于大跨徑連續(xù)梁橋、斜拉橋和懸索橋等橋型，因此在大跨度橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，如武漢青山長江大橋、武漢軍山長江大橋和港珠澳大橋等。

鋼橋面板在橋梁建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用的同時，由于其各板件相互焊接的內(nèi)在特性所決定，出現(xiàn)了一系列典型的疲勞易損細(xì)節(jié)。張清華等［1］研究表明，國內(nèi)所發(fā)現(xiàn)的鋼橋面板疲勞裂紋約有17類，各類疲勞裂紋占比不均，占比最高的為縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)，其開裂約為所有類型開裂總數(shù)的38.2%；邱體軍等［2］對比分析了4種典型橫隔板開孔形式力學(xué)性能；吳亞坤［3］對新型橫隔板開孔形式焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析；卜一之等［4］基于縱肋與橫隔板開裂后的試驗?zāi)Ｐ停盟ń咏卿撗b配式快速加固技術(shù)對該細(xì)節(jié)疲勞裂紋進(jìn)行加固后分析。以上相關(guān)研究加深了設(shè)計人員對縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞開裂的認(rèn)識，有利于更好地開展鋼橋面板構(gòu)造設(shè)計。

目前對于鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)的數(shù)值模擬或模型試驗，大多基于固定的加載形式而開展，缺少國內(nèi)外規(guī)范下疲勞車荷載的對比分析。本文選取國內(nèi)規(guī)范和歐洲規(guī)范兩種典型疲勞車形式，對其作用下的縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)圍焊處疲勞應(yīng)力進(jìn)行分析，有助于進(jìn)一步提高設(shè)計人員對鋼橋面板疲勞性能的認(rèn)識。

1 縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞開裂路徑

縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)為幾何構(gòu)型不連續(xù)，其受力狀態(tài)較為復(fù)雜，存在應(yīng)力集中。經(jīng)調(diào)研文獻(xiàn)［1］可知，縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)共有3種疲勞開裂路徑（見表1和圖1）。

縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞開裂路徑如圖1所示。

在3種疲勞開裂路徑中，疲勞開裂路徑1所發(fā)現(xiàn)的裂紋占比最高，且此處疲勞裂紋開裂后，縱肋厚度僅為8 mm，裂紋容易裂穿縱肋；一旦裂穿，裂紋擴(kuò)展速率將顯著加快，沿著縱肋橫穿腹板裂至縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)附近，嚴(yán)重威脅行車安全，必須采取加固措施，在裂紋尚未裂至頂板附近時進(jìn)行加固，加固時機(jī)一般為裂紋即將裂至縱肋腹板位置時。本文主要研究危害較為嚴(yán)重的疲勞開裂路徑1（即圍焊處）。

2 研究對象幾何尺寸

以國內(nèi)某跨江通道主梁為工程背景，橋面板采用正交異性鋼橋面板，材料為Q345qD。頂板厚度為18 mm，橫隔板厚度為14 mm，橫隔板間距為3 000 mm；縱肋斷面上下端尺寸分別為300 mm和180 mm，高度為300 mm，厚度為8 mm，縱肋下端內(nèi)側(cè)圓弧半徑為40 mm；橫隔板弧形開口一側(cè)由半徑分別為25 mm和73 mm的圓弧相切而組成，開口底端至縱肋底端距離為25 mm，縱肋與橫隔板相交處至縱肋底端距離為64.4 mm。鋼橋面板疲勞易損部位主要受局部輪載作用，橫向取2 100 mm（含3個縱肋），縱向取2跨（含3個橫隔板），縱肋懸臂處各取500 mm，如圖2所示。該幾何尺寸能夠用于鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞性能分析［5］。

3 有限元模型

3.1 中外規(guī)范疲勞車荷載

國內(nèi)規(guī)范選用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）［6］，國外規(guī)范選用歐洲規(guī)范Eurocode 3［7］，兩種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下的疲勞車空間位置信息及前后輪集中荷載大小完全相同，其中單輪集中荷載均為60 kN，僅區(qū)別于輪載尺寸，兩種規(guī)范下輪載橫橋向×縱橋向尺寸分別為600 mm×200 mm和400 mm×400 mm，實際分析偏不利不考慮鋪裝層對輪載的擴(kuò)散作用。通過影響線試算分析，疲勞應(yīng)力僅受疊加輪載影響，如圖3和圖4所示，其他輪載對計算結(jié)果基本無影響。因此，為方便加載，模型僅考慮單個輪載作用，實際疊加輪載下的疲勞應(yīng)力通過影響線疊加進(jìn)行計算。

3.2 約束情況

所選取的研究對象在實橋中與周圍鋼橋面板相連接，根據(jù)實際變形特征，并參考相關(guān)文獻(xiàn)［8］，模型的縱橋向?qū)σ粋?cè)懸臂端約束，另一側(cè)不約束，以保證實際鋼板縱橋向能夠產(chǎn)生位移；對橫橋向兩側(cè)頂板進(jìn)行橫向約束；由于周圍板件對橫隔板具有豎向支承作用，因此對模型橫隔板底端進(jìn)行豎向約束，以反映實際受力狀態(tài)。

3.3 有限元模型

將各板件及焊縫進(jìn)行離散化處理，基于子模型技術(shù)建立了研究對象有限元模型。其中，鋼橋面板縱肋與橫隔板圍焊處采用solid92單元，其余區(qū)域采用solid45單元。圍焊處縱肋及焊縫單元網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，確保計算精度。參考相關(guān)研究文獻(xiàn)［8］，采用如圖5所示的橫向位置對應(yīng)的加載工況依次進(jìn)行加載。

由于結(jié)構(gòu)對稱，取單輪在第一跨內(nèi)進(jìn)行縱向移動加載，3種工況下共計93個荷載步，兩種規(guī)范下共計186個荷載步。有限元模型如圖6所示。

4 結(jié)果分析

縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應(yīng)力受面內(nèi)和面外應(yīng)力的共同影響，主要受主拉應(yīng)力作用，通常以主拉應(yīng)力作為該位置疲勞應(yīng)力的代表應(yīng)力。基于所建立的有限元模型，參考文獻(xiàn)［1］，取距離圍焊處8 mm縱肋表面位置作為名義應(yīng)力取值點，考慮相鄰輪載的疊加作用，分別得到國內(nèi)規(guī)范和歐洲規(guī)范下3種工況疲勞應(yīng)力，如圖7所示。其中，縱向位置為標(biāo)準(zhǔn)疲勞車疊加輪載中心位置。

研究結(jié)果表明：（1）3種工況中，在兩種規(guī)范疲勞車作用下，縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應(yīng)力均在工況2下的數(shù)值最大，歐洲規(guī)范和國內(nèi)規(guī)范疲勞應(yīng)力幅分別為61.3 MPa和47.6 MPa；（2）兩種規(guī)范下疲勞應(yīng)力幅達(dá)到最大時輪載均對稱作用在橫隔板兩側(cè)，表明圍焊處疲勞應(yīng)力主要受面外疲勞車影響；（3）國內(nèi)規(guī)范疲勞車作用下，工況1與工況2的最大疲勞應(yīng)力數(shù)值較為接近，當(dāng)輪載遠(yuǎn)離橫隔板一定距離后，工況3下的疲勞應(yīng)力數(shù)值高于工況2；而歐洲規(guī)范疲勞車作用下，工況2在輪載遠(yuǎn)離橫隔板一定距離后，與工況3數(shù)值較為接近；兩種規(guī)范疲勞車作用下工況1疲勞應(yīng)力水平均較低。

5 結(jié)語

在本文所選取的加載工況下，歐洲規(guī)范疲勞車作用下圍焊處疲勞應(yīng)力幅最為不利，其數(shù)值為國內(nèi)規(guī)范疲勞車作用下的1.3倍。兩種規(guī)范下，當(dāng)輪載橫向位置均位于縱肋正上方時，疲勞應(yīng)力水平最低，設(shè)計時建議將輪跡線放置于縱肋正上方位置附近。

參考文獻(xiàn)

［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(jìn)展［J］.中國公路學(xué)報，2017，30（3）：14-30，39.

［2］邱體軍，李善群.正交異性鋼橋面板橫隔板開孔型式的對比分析［J］.工程與建設(shè)，2014，28（4）：491-493.

［3］吳亞坤.縱肋與橫隔板新型構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞失效機(jī)理及其疲勞抗力研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2020.

［4］卜一之，金 通，李 俊，等.縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細(xì)節(jié)穿透型疲勞裂紋擴(kuò)展特性及其加固方法研究［J］.工程力學(xué)，2019，36（6）：211-218.

［5］張清華，郭亞文，李 俊，等.鋼橋面板縱肋雙面焊構(gòu)造疲勞裂紋擴(kuò)展特性研究［J］.中國公路學(xué)報，2019，32（7）：49-56，110.

［6］JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范［S］.

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收稿日期：2022-12-20