基于切口應力法的鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細節疲勞壽命評估

鄧文宇

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

正交異性鋼橋面板因其輕質高強力學特點及自動化焊接工藝,在國內外鋼橋建設中得到了廣泛的應用。然而,結構體系由多個具有不同疲勞失效模式構造細節組成,在局部輪載外因和焊接初始缺陷內因等多重因素耦合作用下,疲勞問題突出。相關研究文獻表明[1]:正交異性鋼橋面板縱肋與頂板焊接細節疲勞開裂占所有開裂比例為30.2%,且該細節疲勞開裂直接威脅行車安全和箱梁耐久性,是鋼橋面板最為重要的構造細節。目前,關于該細節疲勞特性相關研究[2]主要針對橫隔板間的縱肋與頂板焊接細節(即RD細節),缺少對橫隔板處縱肋與頂板焊接細節(即RDF細節)的系統研究。

唐亮等[3]指出,橫隔板處縱肋與頂板焊接細節更容易產生在焊根處萌生并沿頂板厚度擴展的貫穿型裂紋。Kolstein[4]基于名義應力法針對正交異性鋼橋面板典型構造細節進行了較為深入的試驗研究,并確定了疲勞強度等級。Moddox等[5]采用熱點應力法對縱肋與頂板構造細節頂板焊趾處的疲勞抗力評估,但該方法并不適用于焊根位置。張清華等[6]驗證了切口應力法在構造細節疲勞抗力評估的適用性。本文以橫隔板處縱肋與頂板焊接細節為研究對象,基于切口應力法,利用ANSYS建立構造細節切口子模型的疲勞節段有限元模型,對該細節疲勞壽命進行評估。

1 研究對象

鋼橋面板縱肋與頂板焊接細節分類如圖1所示,其中本文主要研究橫隔板處的RDF細節,該細節疲勞裂紋擴展模式為萌生于焊根并沿頂板厚度方向擴展。結合規范[7]要求,焊縫熔透率取75%,焊腳尺寸取13 mm,縱肋坡口角度設置為50°。

2 切口有限元模型的建立

2.1 疲勞節段模型

選取某橋正交異性鋼橋面板作為疲勞節段有限元模型,如圖2所示。模型共包含5個縱肋、3個橫隔板,所研究的RDF細節位置處于3#U肋(即U3)與中間橫隔板相交處右側。節段模型幾何尺寸為:相鄰橫隔板間距為2 500 mm,頂板和橫隔板厚分別為18 mm和14 mm,U肋截面尺寸(寬×高×厚)取300 mm×280 mm×8 mm。根據文獻[6],采用規范[7]中的軸重為60 kN的標準疲勞車,按圖2的三種典型工況進行加載。

圖2 節段模型與加載工況示意圖(mm)

2.2 切口有限元模型

采用ANSYS軟件建立本文包含RDF細節切口子模型的有限元模型,其中焊根處切口半徑ρ=1 mm,根據ⅡW推薦值將切口周圍6層網格尺寸控制為0.1 mm,切口子模型單元采用SOLID95,節段有限元模型區域單元采用SOLID45。該橋鋼材采用Q370qD,泊松比為0.3。根據節段所處位置對有限元模型邊界進行約束,其中頂板橫向兩側位置分別對其橫向自由度進行約束(即UX=0),縱肋與頂板縱向兩側位置分別對其縱向自由度進行約束(即Uz=0),橫隔板底部對豎向自由度進行約束(即Uy=0)以模擬鋼箱梁的支承作用。所建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖

正交異性鋼橋面板疲勞問題具有顯著的局部效應,進行輪載加載時,可不考慮輪載的橫向疊加效應,根據標準疲勞車特性采用單側相鄰輪載形式,如圖4所示。

圖4 加載輪載示意圖(mm)

3 疲勞壽命評估

3.1 受力模式分析

橫隔板處RDF細節由頂板、縱肋和橫隔板三者相互焊接連接而組成,在局部輪載作用下主要以受壓為主,受力模式如圖5所示。相關研究表明[1-2]:縱肋與頂板焊接細節疲勞裂紋萌生點位置具有較大峰值的焊接殘余應力,而橫隔板處RDF細節疲勞裂紋為縱橋向擴展裂紋,提取切口應力時,可取切口處最大橫向壓應力進行分析,此時考慮殘余應力后,壓-壓應力循環將轉變為拉-壓或拉-拉應力循環,從而引起疲勞開裂。

圖5 橫隔板處RDF細節受力模式示意圖

3.2 縱向應力歷程

根據圖4所選用的加載輪載,結合所建立的有限元模型進行橫隔板處RDF細節的縱向應力歷程分析,考慮模型的對稱性,僅對有限元模型一跨進行加載,總橋向每100 mm一個加載步,共31個加載步。所得到的橫隔板處RDF細節縱向切口應力歷程如圖6所示。

圖6 縱向應力歷程曲線圖

由圖6可知,三種典型工況作用下,縱肋正上方加載工況(即工況1)切口應力幅最大,數值為203.5 MPa;騎縱肋加載工況(工況2)和縱肋間加載工況(即工況3)切口應力幅分別為188.8 MPa和118.3 MPa。通過實際ANSYS有限元分析,應力特征與橫隔板處的RDF細節受力模式分析結論基本一致,即在焊接殘余應力作用下該細節易產生疲勞裂紋。

3.3 壽命評估

選擇適用的焊接結構切口應力S-N曲線是進行構造細節疲勞壽命評估的前提。根據正交異性鋼橋面板縱肋與頂板焊接細節相關疲勞試驗研究結果[8-9],通過采用本文切口應力有限元模型建立方法,將文獻中名義應力結果轉化為切口應力數值,此時可得到大量的以切口應力表征的疲勞試驗結果數據點,其中變幅疲勞試驗數據點,通過線性累計損傷公式轉化為常幅疲勞數據:

(1)

式中:Δσeq——等效后的常幅應力幅;

ni和Δσi——作用次數及對應變幅應力幅;

1/m——S-N曲線的斜率。

以ⅡW所推薦的FAT225級S-N曲線為判據,將數據點與該曲線進行比較與驗證,在驗證FAT225級S-N曲線適用于正交異性鋼橋面板構造細節疲勞壽命評估的基礎上,對橫隔板處的RDF細節進行疲勞壽命評估,切口應力S-N曲線如圖7所示。

研究表明:除文獻中兩個疲勞數據點位于FAT225級S-N曲線之下,其余數據點均位于該曲線之上,考慮到疲勞試驗的復雜性和離散型,可選用FAT225級S-N曲線對正價異性鋼橋面板橫隔板處的RDF細節進行評估。

此時,橫隔板處的RDF細節疲勞壽命可表示為:lg(N)=13.358-3lg(203.5),即壽命N=270.6萬次,該細節疲勞壽命滿足規范要求。

4 結語

(1)通過建立包含切口應力子模型的ANSYS疲勞節段有限元模型,得到了橫隔板處RDF細節的縱向應力歷程,進而確定了該細節疲勞應力幅。

(2)參考正交異性鋼橋面板構造細節相關文獻疲勞數據,將結果統一處理在切口應力S-N曲線中,并與ⅡW所推薦的FAT225級S-N曲線進行比較,驗證了該曲線的有效性和適用性。

(3)采用FAT225級S-N曲線對橫隔板處RDF細節疲勞壽命進行評估,確定了該細節疲勞壽命為270.6萬次,滿足規范要求。