鋼橋面板與縱肋焊接細節內焊加固探討

利用有限元模型建模方式進行分析，在驗證通過栓接加固切口（放入仰焊機器人）滿足安全性要求的基礎上，研究了該焊接細節從焊根處起裂向頂板厚度方向擴展的最不利開裂模式進行內焊加固的效果，選取熔透率為70%、80%、90%、100%的熔透率進行討論分析。研究表明，加固后疲勞裂紋前緣關注點的等效應力強度因子幅值均下降70%以上，并隨著熔透率的增加降幅增大，內焊加固效果變好。

正交異性鋼橋面板； 疲勞裂紋擴展； 內焊加固

U445.7+2A

［定稿日期］2023-04-04

［作者簡介］安朗（1997—），女，碩士，研究方向為鋼橋疲勞加固。

0 引言

正交異性鋼橋面板以其輕、高、易裝配化施工等特點被廣泛應用于各類橋梁結構中［1］。其結構形式主要是通過焊接連接將面板、縱向加勁肋和橫隔板連接成在縱向和橫向滿足不同受力需求的正交異性板結構，但不可避免會引入板件間的立體交叉、焊接殘余應力、焊接缺陷和制造誤差等問題，在大量交通荷載反復作用下，疲勞裂紋在應力集中突出的疲勞易損部位萌生并擴展［2］。根據對于現代正交異性橋面板疲勞病害案例的統計研究，由于早期焊接技術水平限制，頂板與縱肋焊接細節在疲勞開裂案例中占比較高［3］，在提高焊接質量和熔透率后，從焊根起裂往頂板厚度方向擴展的開裂模式又往往是占比最高的，且該種開裂模式在裂紋貫穿頂板后，才能被檢測到。為避免由于該疲勞細節開裂引發安全問題，考慮到減輕對于交通的影響等因素，引入縱肋內焊技術，對傳統的單面焊接構造細節進行加固，形成雙面焊接對該細節處疲勞性能進行加固提高。

1 內焊加固可實施性研究

在實橋進行內焊加固時，需要在縱肋對接焊縫附近區域進行開孔，放入仰焊機器人完成內焊步驟，為了評估開孔對原橋局部受力的影響，建立節段有限元模型進行分析，整個模型采用殼單元建立以提高計算效率，對于切口缺陷采用外層栓接同尺寸縱肋方式進行加固，根據JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》進行螺栓布置，如圖1所示。根據前期加載位置的試算，當荷載縱向位于切口正上方時切口、橫向以縱肋與頂板焊接處為中心布置偏載的方式，切口受力最不利，加載方式選取單輪軸重60 kN。對于切口的構造如圖2所示，通過試算，R=20 mm與R=30 mm情況下，豎向主應力分別為85.99 MPa與89.54 MPa，說明切口圓弧半徑對應力影響不大，下文取R=20 mm工況進行建模分析。

加固后的切口處應力如圖3所示，由云圖結果可知最不利位置出現在切口處，大小為122.1 MPa，采用鋼材為Q345q，驗算結果表明在加固后原結構處于安全狀態。

2 內焊加固有限元模型

在已有研究驗證局部節段模型計算結果的準確性的基礎上［4］，本文使用ANSYS有限元計算軟件建立橫向7個U肋，縱向4個橫隔板的局部節段模型，單元類型選擇實體單元SOLID45，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3。約束條件為：節段模型頂板橫向兩側約束橫向自由度；頂板及縱肋腹板縱向兩端約束縱向自由度；在橫隔板底部約束三個方向的自由度。橫隔板間距取2 500 mm，橫隔板高度取700 mm，U肋之間中心距取600 mm，頂板厚度取16 mm，橫隔板厚度取14 mm，橫隔板按照某橋開孔形式，有限元模型見圖4。

1.1 最不利加載位置

疲勞荷載參考JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》選取。規范規定橋面系構件應采用疲勞荷載計算模型III，所以選擇疲勞荷載計算模型III。其中計算模型III中單輪軸重大小為60 kN，加載面積為200 mm×600 mm。為了找到最不利加載位置，采用荷載歷遍方式進行計算。橫橋向加載位置按照三種典型工況進行計算，如圖5所示。

綜合考慮實橋統計情況與如圖6、圖7所示4種典型疲勞開裂模式的應力歷程。橫向工況一，縱肋焊趾部位的等效結構應力幅最小為26.46 MPa，焊根部位的等效結構應力幅最大為72.86 MPa；橫向工況二，焊喉部位的等效結構應力幅最小為68.17 MPa，焊根部位的等效結構應力幅最大為93.35 MPa；橫向工況三，焊喉部位的等效結構應力幅最小為50.14 MPa，焊根部位的等效結構應力幅最大為72.83 MPa。綜合分析可知最不利加載位置為工況二，縱向加載位置在跨中與距跨中400 mm時，焊根位置等效結構應力幅最大，同時焊喉與頂板焊趾部位的等效結構應力幅也較大。

1.2 疲勞裂紋擴展模型

基于上節的節段模型，建立網格精細化的焊根開裂子模型，根據前期試算，選取此細節處主導的萌生于焊根向頂板厚度方向擴展的失效模式進行討論。根據此處初始微裂紋的長度的統計結果，結合文獻［5］給出的建議初始裂紋尺寸，選擇裂紋的初始尺寸a0為0.1 mm、c0為0.1 mm的裂紋，最終臨界尺寸選為擴展至板厚的2/3作為失效判據［6］，并根據實際裂紋擴展的情況，第1～4擴展步長設置為0.1 mm，第5～8擴展步長設置為0.2 mm，第9～12擴展步長設置為0.3 mm，第13～16擴展步長設置為0.4 mm，之后各擴展步均設為0.5 mm直到破壞（圖8）。

1.3 內焊加固熔透率討論

頂板與縱肋焊接細節從焊根起裂往頂板厚度方向擴展模式處于閉口肋內部隱蔽部位，缺乏有效的檢測技術，在裂穿頂板后會成為縱向長大疲勞裂紋，加固極為困難。現有方法采用新型構造對其疲勞性能有一定改善，但是不能處理掉該處的類裂紋的構造。通過內焊加固改變縱肋與頂板的焊接細節的熔透率，可以有效降低縱肋與頂板構造細節的應力幅，抑制裂紋擴展。

焊腳基本尺寸選擇為8 mm，采用內焊加固時機選擇當裂紋擴展至頂板一半厚度時進行加固。熔透率分別選擇70%、80%、90%、100%進行分析。內焊加固模型前緣關注點選擇如圖9所示的A、B兩點，內焊加固前后關注點的等效應力強度因子幅值的具體變化變化如表1所示。

2 結論

（1）利用有限元建模的方式對于實橋切口放入仰焊機器人進行內焊加固的安全性進行了分析，采用高強螺栓栓接U型鋼板的方式加固后，切口的最大應力降為122.1MPa，安全性符合要求。

（2）本文通過在不利荷載狀態下對頂板與縱肋焊接細節從焊根起裂向頂板厚度方向擴展的模式進行裂紋擴展及內焊加固分析，研究表明疲勞裂紋前緣關注點的等效應力強度因子幅值在熔透率為70%、80%、90%、100%的熔透率下，疲勞裂紋前緣關注點的等效應力強度因子幅值均下降70%以上，并隨著熔透率的增加等效應力強度因子降幅增大，內焊加固效果變好。

參考文獻

［1］ Zhang Q H ， Cui C ， Bu Y Z ， et al. Fatigue tests and fatigue assessment approaches for rib-to-diaphragm in steel orthotropic decks［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2015， 114：110-118.

［2］ 劉益銘， 張清華， 張鵬，等. 港珠澳大橋正交異性鋼橋面板U肋對接焊縫疲勞壽命研究［J］. 中國公路學報， 2016， 29（12）：9.

［3］ 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）：18.

［4］ 王春生， 付炳寧， 張芹，等. 正交異性鋼橋面板足尺疲勞試驗［J］. 中國公路學報， 2013， 26（2）.

［5］ Barsoum Z ， Barsoum I . Residual stress effects on fatigue life of welded structures using LEFM［J］. Powder Diffraction， 2009， 23（2）：191-191.

［6］ Radaj D . Fatigue Assessment of Welded Joints by Local Approaches［M］. ELSEVIER， 2006.