鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構造疲勞壽命對比研究

摘要：面板-縱肋構造是鋼橋焊接細節的主要組成部分。文章為研究大跨度鋼橋面板-縱肋構造的疲勞性能，借助ANSYS有限元軟件，考慮焊縫實際尺寸，分別建立了包含單面焊和雙面焊構造的鋼橋面板疲勞節段數值分析模型，對兩類構造的疲勞壽命進行了分析。結果表明：雙面焊構造等效疲勞應力幅最大值位于外側焊縫焊趾處，疲勞壽命為172.2年，是單面焊疲勞壽命的2.2倍；單面焊構造疲勞裂紋大多出現在焊根處，雙面焊構造疲勞裂紋出現在外側焊縫焊趾處，因此，雙面焊構造疲勞裂紋的可檢性較高。

關鍵詞：鋼橋；面板-縱肋構造；數值分析；疲勞壽命

U445.58+3A381202

0 引言

預應力鋼筋混凝土橋由于自重大、施工工序復雜、工期長、施工質量難以保證和砂石料自然資源消耗大等缺點，迫使橋梁建設尋求一種更加適用于大跨、工業化和智能化的橋梁材料。在橋梁不斷發展的過程中，鋼材脫穎而出。20世紀以來，鋼橋在國內外橋梁建設中得到了大規模的應用，鋼橋涉及多種結構形式。其中，鋼箱梁無論是直線、曲線，還是大跨、特大跨橋梁中均具有較強的適用性，因此鋼箱梁在鋼橋中投入使用的比例較高。鋼橋施工過程中主要關注強度和穩定性問題，成橋后主要是疲勞問題。強度問題可通過梁高和板厚進行控制，穩定問題可通過板厚和加勁肋進行控制。鋼橋疲勞問題內外因素復雜，受焊接初始缺陷和荷載環境的耦合影響，因此鋼箱梁疲勞研究是現階段鋼橋尤為重要的研究課題方向。

自1971年歐洲賽文橋面板-縱肋構造發現開裂以來，國內外鋼橋均發現了多起疲勞裂紋，鋼橋疲勞問題也開始得到重視。以國內鋼橋為例，軍山長江大橋、江陰長江大橋和海滄大橋等疲勞開裂鋼橋中，面板-縱肋構造均采用單面焊形式。近年來，鋼橋面板-縱肋雙面焊構造進行了實踐應用，如沌口長江大橋、石首長江大橋和嘉魚長江大橋等。張亞海等基于斷裂力學方法對雙面焊構造應力強度因子變化規律進行了分析［1］；張清華等基于實體節段模型得到了雙面焊構造主導疲勞失效模式及其疲勞強度［2］；郭殊倫等分析了雙面焊內焊縫初始裂紋開裂特征［3］；薛喆彥等分別介紹了定位焊、雙面焊內外焊焊接工藝并論證了可靠性［4］；蔣斐等對比分析了新型鐓邊縱肋和雙面焊兩種新型面板-縱肋焊接構造的疲勞性能［5］。目前關于鋼橋面板-縱肋雙面焊構造的研究主要圍繞裂紋擴展情況、疲勞抗力問題和焊接工藝而開展，缺少相對基礎和系統的對比研究。本文基于實體有限元軟件，對鋼橋面板-縱肋構造單面焊和雙面焊構造主要裂紋起裂點疲勞壽命進行對比研究，研究過程和分析結果可為鋼橋設計和構造選型提供參考。

1 主要疲勞失效模式

早期的鋼橋面板由不同厚度的板件通過全焊接連接組成，縱肋采用開孔肋形式。隨著交通量的提高和寬幅大跨橋的不斷發展，由縱肋（閉口U肋）、橫隔板和頂板焊接連接，縱肋對接焊優化為高強螺栓栓接連接的鋼橋面板應運而生。經實橋疲勞裂紋統計分析［6］，鋼橋面板主要由3個疲勞細節組成，如圖1所示。

疲勞細節1為面板-縱肋構造；疲勞細節2為橫隔板交叉構造；疲勞細節3為縱肋對接構造。在面板輪載作用下，3種疲勞細節中疲勞細節1和2疲勞裂紋出現較多，就危害程度而言，疲勞細節1裂紋擴展至一定程度后，一方面會導致面板剛度下降，變形大，行車不穩；另一方面裂紋裂穿面板瀝青鋪裝后，雨水滲漏至縱肋和鋼箱梁內部，導致鋼箱梁銹蝕，影響耐久性。因此本文研究對象為疲勞細節1。單面焊構造主要疲勞失效模式為焊根裂紋，雙面焊構造主要疲勞失效模式為內焊焊趾裂紋和外焊焊趾裂紋。

2 疲勞節段幾何尺寸

某大跨度公路寬幅斜拉橋鋼箱梁橋面板采用正交異性鋼橋面板，縱肋高度為300 mm，橫向中心距為600 mm；橫隔板間距為2 000 mm，高度為700 mm。研究文獻指出鋼橋面板疲勞范圍影響有限［7］，橫向3個縱肋及縱向3跨橫隔板節段足尺模型能夠得到面板-縱肋構造應力變化情況。橫向加載工況按騎縱肋加載進行確定，縱向從第一節間邊橫隔板向第三節間邊橫隔板移動加載，疲勞節段與加載位置如圖2所示，其中單面焊和雙面焊構造α和β分別為50°和130°。

外側焊縫熔透率為75%，焊根未熔透高度為1 mm，焊縫相關參數均滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）的要求［8］。內焊在工廠內采用簡易焊接機器人進行焊接，角焊縫焊腳尺寸為6 mm，雙面焊構造外側焊縫尺寸參數與單面焊保持一致。按規范標準疲勞車進行加載，輪載尺寸為200 mm（縱向）×600 mm（橫向），單輪荷載為60 kN。

3 有限元模型

按照實體單元進行疲勞節段建模，模型采用Solid45線性單元，焊縫按照實際尺寸建立，關注位置焊縫單元網格控制在lt;2 mm，其余區域單元網格控制在lt;25 mm。由于關注位置處于第二節間跨中位置，與模型邊界相距較遠，根據圣維南原理，對模型橫向兩側頂板、縱向兩側頂板和縱肋、豎向橫隔板底板分別進行線位移約束。縱向加載步長為100 mm，由于模型對稱，僅加載第一節間和第二節間半跨結構，共計31個加載工況。所建立的有限元模型如圖3所示。

4 疲勞壽命

一般而言，疲勞應力數值低于結構的靜力強度，因此，輪載作用下結構變形處于彈性狀態。為評估鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構造的疲勞壽命，首先需要確定疲勞應力幅。鋼橋面板-縱肋構造主要受縱向單側標準疲勞車1 200 mm相鄰前后輪的輪載作用，在計算得到單個輪載疲勞應力條件下，根據應力疊加原理可以求得疲勞應力歷程曲線，其次結合交通量數據對疲勞壽命進行評估。

分別提取得到標準疲勞車單側前后輪輪載作用下，鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構造主要疲勞失效模式裂紋萌生點處縱向應力歷程變化曲線如圖4所示。

根據計算結果，鋼橋面板-縱肋構造主要受主壓應力作用，且輪載直接作用于關注位置正上方時，疲勞應力數值達到最大值。根據泄水法計算單面焊焊根裂紋（失效模式Ⅰ）、雙面焊內側焊縫焊趾裂紋（失效模式Ⅱ）和雙面焊外側焊縫焊趾裂紋（失效模式Ⅲ）最大疲勞應力幅分別為80.5 MPa、51.4 MPa和62.2 MPa，其余應力幅水平較小，疲勞損傷可忽略。經現場實測交通量，根據損傷等效原則，確定疲勞破壞次數，然后結合損傷度求得疲勞壽命，見后頁表1。對于鋼橋面板-縱肋構造而言，雙面焊構造疲勞壽命明顯高于單面焊構造，雙面焊構造疲勞抗力較優，具有一定的應用前景。

5 結語

本文通過對某大跨度公路寬幅斜拉橋鋼箱梁橋面板節段模型進行有限元數值模擬分析，得到了鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構造的疲勞應力，進而對疲勞壽命進行了評估，得出主要結論如下：

（1）雙面焊構造主要疲勞失效模式處的疲勞應力幅均小于單面焊構造，且采用雙面焊構造后，最不利疲勞應力幅位于外側焊縫焊趾處，相比于單面焊焊根裂紋而言，使得疲勞裂紋更易于觀測，便于后期維修加固。

（2）單面焊和雙面焊構造疲勞壽命分別為82.0萬次和178.2萬次，雙面焊構造疲勞性能更優。對于車流量較高、重車比例較大的大跨度鋼橋而言，采用雙面焊構造是保證鋼橋面板長壽命服役的有效措施之一。

參考文獻：

［1］張亞海，郭寶圣，張衛國，等.鋼橋面板-縱肋雙面焊縫疲勞裂紋應力強度因子［J］.土木與環境工程學報（中英文），2022，44（3）：62-70.

［2］張清華，笪樂天，李 俊，等.縱肋與頂板新型雙面焊構造細節的疲勞強度問題［J］.中國公路學報，2022，35（8）：162-174.

［3］郭殊倫，雷俊卿，黃祖慰.雙面焊U肋內側焊縫初始裂紋特性研究［J］.中南大學學報（自然科學版），2021，52（10）：3 581-3 594.

［4］薛喆彥，吳江波，杜 偉，等.鋼橋U肋角焊縫雙面焊工藝研究［J］.焊接技術，2021，50（6）：43-46.

［5］蔣 斐，吉伯海，王益遜，等.2種新型頂板-U肋構造細節的疲勞性能研究［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2020，43（10）：1 391-1 397，1 421.

［6］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.

［7］劉仕茂，祁義輝，劉 濤.中歐規范下鋼橋面板與縱肋雙面焊焊接細節疲勞性能分析［J］.公路與汽運，2023（2）：119-121，126.

［8］JTG D64-2015，公路鋼結構橋梁設計規范［S］.