不同初始裂紋角度對鋼橋橫隔板圍焊細節疲勞性能的影響研究

中圖分類號：U445.58*3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.053

文章編號：1673-4874（2025）01-0180-03

0 引言

焊接仍是目前鋼結構板件之間連接的基本方式之一。21世紀以來，鋼結構在橋梁建設中得到了極大的應用，鋼橋具有強度高、施工快等顯著優勢，在砂石料資源日益短缺的年代，鋼橋是低碳環保、節能高效的重要橋型結構。由于鋼橋板件眾多，為打造智能化、流水線生產，基本采用全焊形式，焊縫質量及其檢測技術是影響鋼橋耐久性的重要因素。

自從英國賽文橋鋼箱梁發生疲勞開裂以來，橋梁設計人員與管養人員開始重視鋼橋疲勞裂紋問題。在國內，近幾十年來，虎門大橋、江陰大橋和軍山大橋等均發現了一系列疲勞開裂現象，并在這些橋梁的服役期內，疲勞劣化效應較為顯著，因此不得不采取有效的加固措施對其進行止裂加固。鋼結構材料強度遠大于傳統的混凝土結構，其自重輕的同時本身的活載效應占比提高，加之焊縫細節應力集中，因此多個疲勞細節易出現開裂現象。根據日本高速公路鋼橋疲勞裂紋統計結果，橫隔板交叉細節損傷最為嚴重，裂紋占比高達38. ，國內鋼橋疲勞開裂也存在類似情況。周維等3采用ANSYS軟件分析了橫隔板交叉細節多個疲勞開裂點位處的疲勞應力幅；王曉等4對比了國內規范和歐洲規范荷載模式對橫隔板圍焊細節應力的影響；王喆5探討了CFRP板對橫隔板交叉細節加固后的開裂抑制情況并進一步分析了加固件參數的影響；下一之等基于模型試驗和有限元方法，研究了栓接角鋼加固件對圍焊細節穿透型裂紋加固效果與加固時間；劉益銘等基于斷裂力學理論，計算了鋼橋圍焊細節疲勞壽命。目前鋼橋疲勞研究資料較為全面和系統，兼顧疲勞細節開裂前后的分析，尤其是隨著斷裂力學方法的不斷完善，開裂后的分析逐漸占據重要地位。但是，開裂后分析的研究文獻中主要聚焦于裂紋擴展過程及其加固分析，缺少對于初始裂紋自身因素的分析。基于此，考慮到初始裂紋的隨機性，本文選取不同角度的初始裂紋，對其應力強度因子進行對比研究，以提高鋼結構加工制造人員及其相關研究人員對于疲勞性能的認識。

1正交異性鋼橋面板

正交異性鋼橋面板（簡稱鋼橋面板）一般作為鋼箱梁橋面板使用，力學性能突出，尤其在大跨度斜拉橋、懸索橋中應用廣泛。鋼橋面板縱向板件主要由頂板、縱肋組成，橫向板件主要由橫隔板組成，各板件焊接連接形成節段橋面板，焊縫分布多，多個焊縫存在交叉，疲勞細節多樣，如圖1所示。

鋼橋面板疲勞細節是易發生疲勞開裂的局部部位。目前主要對兩類細節進行研究：縱肋頂板焊接細節和橫隔板交叉細節，兩類疲勞細節主要開裂路徑如圖2所示。縱肋頂板焊接細節受力明確，裂紋通常沿頂板深度方向開裂，橫隔板交叉細節受力復雜，圍焊處焊縫成型不易，通常采用手工焊形式，焊接質量難以控制，加之疲勞應力高，因此疲勞壽命低于縱肋頂板焊接細節。橫隔板交叉細節主要開裂路徑為圍焊焊趾處起裂并沿縱肋縱向斜向上擴展的疲勞裂紋，本文也是基于此開裂位置進行研究。

2 節段橋面板

本文以某長江大橋鋼橋面板為依托工程，整幅為雙向八車道，主梁采用鋼橋面板形式。疲勞模型的選取與實際疲勞效應影響范圍密切相關，相關文獻表明疲勞效應存在明顯的局部性、節段性。為統籌考慮疲勞車橫向車輪影響，節段橋面板橫向取3 ，縱向取2個橫隔板節間，橫隔板節間長度為 。當疲勞車輪載作用于圍焊細節正上方時，疲勞效應最為顯著，因此將一側輪載布置于縱肋腹板中心處，關注位置為 縱肋與橫隔板交叉細節圍焊位置。節段橋面板幾何尺寸與加載位置如圖3所示，其中輪載尺寸參考歐規鋼橋設計規范進行選取8，并考慮4倍的超載效應，圍焊采用角焊縫形式，焊腳尺寸為7mm。

4有限元模型

基于實體有限元分析軟件，對 縱肋與橫隔板交叉位置建立子模型。子模型采用Solid95二階單元，其余區域采用Solid45一階單元，子模型邊界與整體模型進行位移耦合約束，初始裂紋前緣采用楔形體單元以獲得奇異場應力情況。有限元模型中對焊縫網格進行加密，單元尺寸≤2mm，非關注區域網格尺寸放寬處理，以節約計算時間。由于橫隔板交叉細節主要受橫隔板正上方輪載作用，即面內效應較為突出，因此加載時將橫向兩個輪載放置于橫隔板正上方。按照節段橋面板在主梁主車道所處位置，分別對頂板、縱肋和橫隔板進行位移約束。所建立的有限元模型如圖5所示。

3 初始裂紋形式

斷裂力學研究中將焊接初始缺陷（即初始裂紋）簡化為面狀形式，一般為半橢圓形。此處取半橢圓半短軸 和半長軸 分別為0.4mm和 1mm ，初始裂紋共選取7種工況，分別為非圍焊側45裂紋、非圍焊側 裂紋、非圍焊側15°裂紋、垂直裂紋、圍焊側15°裂紋、圍焊側 裂紋、圍焊側45裂紋。初始裂紋如圖4所示。

疲勞開裂三種基本應力強度因子 （張開型）K_Ⅱ（滑開型）和K_Ⅲ（撕開型）通過相互作用積分求解，決定初始裂紋綜合擴展能力的等效應力強度因子參考BS7608規范進行計算9，見式（1）。其中， 為材料泊松比，本橋橋面板材料為 。

5數值模擬結果分析

為系統研究不同初始裂紋角度下橫隔板圍焊細節疲勞開裂中三種基本開裂模式占比情況，分別提取得到應力強度因子變化規律如圖6所示，其中橫坐標為裂紋前緣至裂紋一端長度與裂紋前緣總長度之比。

計算結果表明：（1）裂紋前緣中間區域撕開型裂紋應力強度因子占比較小，裂紋兩端附近區域占比大，整體而言，張開型應力強度因子水平最高，在基本開裂模式中占主導地位，其他兩種基本開裂模式應力強度因子不能忽略，橫隔板圍焊細節疲勞開裂具有明顯的三維特征；（2）就張開型基本開裂模式而言，初始裂紋從非圍焊側逐漸偏轉至圍焊側的過程中，應力強度因子先快速增加，然后逐漸降低，在圍焊側15°裂紋工況下應力強度因子達到最大；（3）初始裂紋從非圍焊側逐漸偏轉至圍焊側的過程中，滑開型應力強度因子從負值逐漸轉變為正值，裂紋在垂直方向和圍焊側15方向之間時，滑開型應力強度因子數值處于較低水平。相同偏轉角下，偏向于非圍焊側的裂紋面所受沿縱肋厚度方向的剪切應力越大，進一步表明圍焊處應力狀態復雜，同時受彎扭和剪切作用。

為進一步探究橫隔板圍焊細節初始裂紋的綜合擴展能力，根據式（1）計算得到了7種工況下裂紋前緣等效應力強度因子變化規律，如圖7所示。

計算結果表明：7種工況下裂紋前緣等效應力強度因子變化規律與張開型基本開裂模式較為相似。垂直裂紋、圍焊側15°裂紋、圍焊側 裂紋和圍焊側45°裂紋等效應力強度因子水平均較高，相比較而言，圍焊側15°裂紋擴展能力最強。

6結語

本文以某長江大橋節段橋面板橫隔板圍焊細節為研究對象，基于實體有限元軟件，對不同偏轉角度的初始裂紋應力強度因子進行了分析，得出主要結論如下：

（1）不同初始裂紋角度下，圍焊細節開裂特征均為復合型開裂模式，其中張開型應力強度因子占比大，裂紋擴展具有三維特征。

（2）偏向于圍焊方向15的初始裂紋等效應力強度因子水平最高，裂紋擴展能力最強。因此，考慮缺陷分布的隨機性，基于斷裂力學方法評估圍焊細節疲勞壽命時，采用垂直裂紋并不是最不利裂紋工況，應重點分析偏向于圍焊方向的初始裂紋。

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