橫隔板對鋼橋面板弧形開孔疲勞應力的影響分析

摘要：文章以鋼橋面板橫隔板處弧形開孔部位為研究對象，基于有限元數值模擬軟件，建立了包含弧形開孔子模型的鋼橋面板節段有限元分析模型，研究了橫隔板厚度及間距對弧形開孔部位的疲勞應力的影響，相關結果可為類似結構設計提供參考。

關鍵詞：鋼橋面板；橫隔板；弧形開孔；有限元；疲勞應力

中圖分類號：U441+.5 A 22 071 3

0 引言

鋼橋面板主要用于大跨結構鋼箱梁中，由頂板、縱肋和橫隔板三種主要板件組成。該橋面板在縱橋向和橫橋向受力不同，主要特點為輕質、高強、便于工廠制造。由于各板件通過焊接連接，鋼橋面板出現多處焊接接頭，接頭處受力復雜，在輪載反復作用下，局部應力集中嚴重，容易出現疲勞損傷。相關文獻統計表明［1］：橫隔板弧形開孔疲勞裂紋在所有焊接接頭中的占比相對較大，其數值約為38.2%，該部位是目前鋼橋面板疲勞性能研究中重點關注的部分之一。

疲勞問題的研究不僅局限于試驗方面，通過可行的數值理論分析方法對疲勞抗力、損傷失效機理、疲勞裂紋擴展全過程模擬和剩余疲勞壽命評估等進行研究是揭示鋼橋面板疲勞性能的有效途徑。袁遠等［2］分析了橫隔板弧形開孔處的疲勞裂紋成因及構造措施；楊威［3］結合有限元手段，研究了橫隔板弧形開孔處的受力特征并對模型尺寸進行了優化，在此基礎上對疲勞裂紋擴展情況進行了數值模擬；張清華等［4］基于斷裂力學分析方法，分析了栓接角鋼加固對橫隔板弧形開孔加固效果并對合理加固時機的選擇給出了建議；崔闖等［5］基于熱點應力分析方法，結合線性累計損傷理論分析了實橋中橫隔板處弧形開孔疲勞壽命。對于鋼橋面板橫隔板弧形開孔疲勞易損細節而言，以上研究主要關注縱肋與橫隔板圍焊處的疲勞應力，而對弧形開孔處產生的疲勞失效模式的研究相對較少，不利于鋼橋設計人員對該細節疲勞性能的全面認識。

橫隔板弧形開孔處鋼板幾何構型不連續，開孔邊緣鋼板母材疲勞應力相對較高。本文通過有限元數值模擬軟件，建立包含弧形開孔子模型的鋼橋面板節段有限元分析模型，得到了弧形開孔處的疲勞應力，在此基礎上重點探討了橫隔板厚度及間距對弧形開孔部位的影響。

1 橫隔板弧形開孔

橫隔板弧形開孔部位是鋼橋面板典型構造疲勞易損細節，通過設置開孔形式，縱肋在橫隔板處連續通過，同時可以減小橫隔板對縱肋的約束作用。發生在橫隔板開孔處的疲勞裂紋主要分布在弧形開孔中間部位，沿著開孔法向方向進行擴展，裂紋擴展至一定長度后，將撕裂橫隔板使其喪失約束能力，導致鋼橋面板剛度整體降低，不利于行車安全。因此，研究橫隔板弧形開孔處的疲勞性能具有重要意義。鋼橋面板橫隔板弧形開孔部位示意圖如圖1所示。

2 節段幾何模型

選取國內某大跨連續梁橋鋼橋面板為研究對象，縱肋開孔為扁圓弧形式，開孔高度為 25 mm，圓弧開孔由半徑為 25 mm的短圓弧、半徑為 73 mm的長圓弧和底部半徑為 100 mm的直線段組成，該圓弧形式最早在日本鋼橋中應用，在實橋中應用情況良好。由于鋼橋面板疲勞受力為局部問題，模型整體尺寸相比于全橋靜力分析要小得多。文獻［1］調研發現，橫橋向3條縱肋和縱橋向2個橫隔板長度能夠反映鋼橋面板橫隔板弧形開孔的疲勞應力特征，因此，選取如下頁圖2所示的疲勞節段幾何尺寸。為研究橫隔板對弧形開孔的影響，設橫隔板間距為L，疲勞應力關注部位為2#縱肋短圓弧中心位置。

橋面板材料為Q345qD，泊松比為0.3。既有文獻研究表明［6］：弧形開孔受面內荷載作用，同時受面外荷載影響，為綜合考慮面內和面外受力特征，選取國內鋼橋規范疲勞車輪載進行加載［7］。加載位置為圖2中局部輪載作用于中間橫隔板正上方時的車輪布置情況，橫向位置為縱肋腹板頂端正上方形式。其中，由于車輪橫向距離為 2 000 mm，對疲勞應力影響較小，因此僅采用單側前后輪進行加載。輪載尺寸為 600 mm（橫橋向）× 200 mm（縱橋向），輪載大小為 60 kN，加載時不計鋪裝層對應力的影響。頂板、縱肋厚度分別為 16 mm和 8 mm，兩側橫隔板外側縱肋懸臂長度為 500 mm。

3 有限元模型

將鋼橋面板各板件及連接焊縫進行離散化，建立圖2模型尺寸下整體有限元模型。為保證計算結果精度，在兩跨整體模型下，建立橫隔板弧形開孔子模型，其中子模型與整體模型通過公共邊界部分位移相同來確保受力模式符合要求，子模型頂板區域同樣施加局部輪載。子模型采用solid92單元，并在短圓弧中心處設置節點，以便于提取應力結果，子模型以外區域采用solid45單元。節段模型按照實際變形情況進行約束，其中橫橋向和豎橋向分別對頂板和底板進行約束，縱橋向約束一側懸臂端的頂板和縱肋位移。有限元模型為參數化形式，橫隔板厚度及間距均設置為變量，以方便分析橫隔板對弧形開孔的影響。所建立的有限元模型如圖3所示。

4 計算結果分析

弧形開孔主要承受壓應力作用，在圖2所示加載工況下，橫隔板弧形開孔疲勞應力數值最大，當輪載遠離關注位置時疲勞應力數值趨于0。因此，該加載工況下的疲勞應力即為該細節的最大應力幅值，可用于對弧形開孔部位疲勞性能進行評估。

4.1 橫隔板面內和面外受力分析

為全面考察弧形開孔受力情況，取橫隔板間距L= 3 000 mm、厚度為 14 mm進行面內和面外受力分析，通過該項分析可以得到弧形開孔主要荷載模式。分別施加圖2中的正上方輪載和跨中輪載，所得到的疲勞應力如圖4所示。

計算結果表明：兩種荷載模式下，橫隔板弧形開孔主壓應力均位于短圓弧段，且弧形開孔在面內輪載和面外輪載下，主壓應力數值分別為 40.6 MPa和 41.3 MPa，兩者數值相當，即該細節受面內和面外輪載的共同影響，任一荷載模式均不占據主導地位。

4.2 橫隔板厚度影響分析

橫隔板厚度直接影響弧形開孔處的彎扭剛度。為分析該參數對弧形開孔處疲勞應力的影響，令橫隔板間距為 3 000 mm不變，分析橫隔板厚度分別為 10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm六種情形下的疲勞應力，加載工況為圖2所示的加載形式，計算得到弧形開孔處的主壓應力如圖5所示。

計算結果表明：橫隔板厚度對弧形開孔處的疲勞應力大致呈線性影響，橫隔板厚度越小弧形開孔處疲勞應力越大。當橫隔板厚度為 10 mm時，弧形開孔主壓應力達到 107.5 MPa，因此橫隔板在選取厚度時，建議 ≥14 mm。

4.3 橫隔板間距影響分析

鋼橋面板弧形開孔受力與橫隔板間距相關。為此，橫隔板厚度取 14 mm，分析橫隔板間距分別為 1 500 mm、2 000 mm、2 500 m、3 000 mm、3 500 mm、4 000 mm六種情形下的疲勞應力。加載工況不變，計算得到弧形開孔處的主壓應力如圖6所示。

計算結果表明：橫隔板間距對鋼橋面板弧形開孔處疲勞應力具有明顯影響，當橫隔板間距 ＜2 500 mm時，弧形開孔應力 ≤75.6 MPa，且橫隔板間距越小，疲勞應力下降越快；當橫隔板間距 ＞2 500 mm時，疲勞應力隨橫隔板間距增大而增大，但增大幅度減慢。結合用鋼量需求，建議橫隔板間距應 ≤3 000 mm。

5 結語

本文基于有限元數值模擬軟件，對鋼橋面板弧形開孔處的疲勞應力進行了分析，在本文加載工況條件下，主要結論如下：

（1）弧形開孔受橫隔板面內輪載和面外輪載的共同影響，兩者疲勞應力數值均較大，進行疲勞分析時應同時考慮兩種荷載模式的影響。

（2）隨著橫隔板厚度的增大，弧形開孔處的疲勞應力大致呈線性下降趨勢。隨著橫隔板間距的增大，弧形開孔處的疲勞應力逐漸增大，當橫隔板間距 ＞2 500 mm時，疲勞應力增大幅度減慢。建議鋼橋面板進行構造設計時，弧形開孔部位應根據應力需求合理確定橫隔板厚度及間距。

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）：14-30，39.

［2］袁 遠，翟曉亮.鋼橋面板橫隔板弧形開孔處疲勞裂紋成因分析及構造措施［J］.石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2021，34（2）：31-37.

［3］楊 威.鋼橋面板橫隔板面內變形疲勞試驗模型優化與裂紋擴展特性分析［J］.廣東公路交通，2021，47（2）：36-39.

［4］張清華，金 通，李 俊，等.鋼橋面板縱肋與橫隔板焊接細節疲勞開裂的加固研究［J］.西南交通大學學報，2020，55（1）：92-99.

［5］崔 闖，卜一之，張清華，等.基于熱點應力法的正交異性鋼橋面板疲勞壽命評估［J］.橋梁建設，2014，44（4）：62-67.

［6］王萬威.鋼橋面板U肋與橫隔板焊縫疲勞特性分析［D］.成都：西南交通大學，2018.

［7］JTG D64-2015，公路鋼結構橋梁設計規范［S］.

收稿日期：2022-11-28