正交異性板縱肋—面板焊接接頭熱點應(yīng)力分析

遲嘯起 張海芳

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

正交異性板縱肋—面板焊接接頭熱點應(yīng)力分析

遲嘯起 張海芳

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

對某大橋正交異性鋼橋面板的縱肋—面板焊接接頭進行了熱點應(yīng)力法實體單元有限元分析，通過ABAQUS的模擬分析結(jié)果表明，輪壓對于正交異性板鋼橋面板的應(yīng)力影響范圍很小，對縱肋—面板焊接接頭的應(yīng)力提升不明顯，接頭非線性應(yīng)力分布在距離焊趾0．4t的范圍內(nèi)，應(yīng)力分布特點與以往針對平板焊接結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力研究成果相吻合。

正交異性板，縱肋—蓋板接頭，熱點應(yīng)力，疲勞分析

0 引言

正交異性鋼橋面板在我國目前大跨橋梁的建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用十分廣泛，同時其在工程中最主要的病害是焊接接頭的疲勞開裂。目前針對焊接接頭的疲勞壽命評估主要使用基于S—N曲線的名義應(yīng)力法。但是在實際工程中名義應(yīng)力法的應(yīng)用有諸多的限制，一方面復(fù)雜連接部位的名義應(yīng)力通常無法找到明確的分類，另一方面，使用有限元分析計算解析法難以得出的局部應(yīng)力時，其應(yīng)力結(jié)果的導(dǎo)出也很難做到精確合理。

隨著有限元的廣泛應(yīng)用，熱點應(yīng)力法在近20年來得到很大發(fā)展。特別是基于表面外推針對焊趾開裂的熱點應(yīng)力法疲勞分析研究成果顯著，在船舶工程［1］、機械制造業(yè)［2］中廣泛應(yīng)用。熱點應(yīng)力法應(yīng)用到鋼橋的疲勞壽命評估的實踐還不多，因此針對其進行研究探討很有意義。

1 基本原理

1．1 熱點應(yīng)力以及其組成

焊接結(jié)構(gòu)中，焊接切口效應(yīng)會影響焊趾附近區(qū)域應(yīng)力沿板厚的線性分布。焊趾處的切口應(yīng)力值要比名義應(yīng)力值高得多，而這控制著沿板厚方向的疲勞開裂。因為在初始裂紋出現(xiàn)前在這一點產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，這一區(qū)域的溫度也會升高，因此形象的稱為熱點，熱點應(yīng)力法即是對此熱點進行疲勞分析的方法。在熱點區(qū)域的非線性的應(yīng)力分布由膜應(yīng)力、板的彎曲應(yīng)力以及非線性應(yīng)力峰值三部分組成，Hobbacher［3］給出了三種應(yīng)力的分布函數(shù)，熱點應(yīng)力法中的熱點應(yīng)力并不考慮非線性應(yīng)力峰值的影響，根據(jù)IIW的規(guī)定，在實際應(yīng)用中其值由式(1)表示。

其中，σhs為熱點應(yīng)力值;σmem為膜應(yīng)力;σben為板的彎曲應(yīng)力。

1．2 熱點類型及表面外推公式

在使用熱點應(yīng)力法時，根據(jù)IIW的規(guī)定，焊接部位的熱點分為兩種類型(見圖1)：

1)位于板的表面。

2)位于板的邊緣。

圖1 不同類型的熱點

本文中所要研究的縱肋—面板焊接接頭焊趾開裂為1)類型的熱點。

熱點應(yīng)力本質(zhì)上是一個假想值，而在應(yīng)用中如何考慮焊趾處的非線性應(yīng)力峰值是一個重要問題。根據(jù)Ericksson［4］研究，非線性應(yīng)力峰值包含了兩種應(yīng)力提高因素(見圖2)。一種為切口效應(yīng)所引起，另一種為局部幾何因素所引起。簡單的分離這兩部分的方法就是找到距離焊趾一個合適位置的表面外推點。以往研究表明非線性應(yīng)力峰值的影響通常在距離焊趾0．3t～0．4t就基本消失。各國研究學(xué)者和船級社外推點的選取以及外推公式不盡相同，其中國際焊接學(xué)會IIW建議采用距離焊趾0．4t和1．0t兩點作為線性外推點，給出的外推公式為式(2)。

其中，σ0．4t為距離焊趾 0．4 倍面板厚度處的節(jié)點應(yīng)力;σ1．0t為距離焊趾1．0倍面板厚度處的節(jié)點應(yīng)力。

圖2 焊趾附近的應(yīng)力構(gòu)成

2 模型建立

本文針對某大橋正交異性鋼橋面板進行有限元分析，采用8縱肋局部模型，因橫隔板對橋面板起到了支撐作用，因此跨度采用橫隔板的間距4 m。橋面板的板厚為14 mm，每個縱肋相距600 mm，典型縱肋為梯形縱肋，縱肋尺寸見圖3。

根據(jù)Hobbacher的研究，熱點應(yīng)力法的有限元模型宜采用8節(jié)點的板殼單元以及20節(jié)點的縮減積分實體單元，并且單元的積分點或者節(jié)點應(yīng)與外推點的位置是一致的，這樣才能保證計算的精度。

本文中采用實體單元進行建模，模擬輪壓荷載在跨中的作用，輪壓面積按照國內(nèi)規(guī)范的要求采用600 mm×200 mm，輪壓橫向間距為1．8 m，軸重100 kN，荷載根據(jù) Zhi-Gang Xiao等人［5］的研究使荷載中心布置在肋壁上方，荷載位置局部網(wǎng)格進行了細(xì)化，計算模型見圖4，其中圖4a)為計算整體模型，圖4b)為縱肋—面板連接局部。

圖4 正交異性鋼橋面板有限元模型

3 有限元分析結(jié)果

經(jīng)過有限元計算，得到了正交異性鋼橋面板整體模型的Mises應(yīng)力云圖，如圖5a)所示，縱肋—面板連接放大得到的S11應(yīng)力云圖如圖5b)所示。

圖5 正交異性鋼橋面板模型應(yīng)力云圖

由圖5可知，在輪壓荷載下，面板上的應(yīng)力分布范圍較小，兩個輪壓對應(yīng)力產(chǎn)生的疊加效應(yīng)并不明顯。由于縱肋肋壁的支撐作用，肋壁上方的橋面板產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。而對于焊趾附近區(qū)域的應(yīng)力情況，通過統(tǒng)計節(jié)點應(yīng)力值，得到結(jié)果如圖6所示，可見焊縫區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)還是十分明顯的，而這種應(yīng)力集中的現(xiàn)象在距離焊趾4 mm～5 mm處就基本消失，這與IIW規(guī)范以及以往針對平板焊接結(jié)構(gòu)的研究成果是吻合的，因此將IIW規(guī)范的熱點應(yīng)力法用于正交異性板縱肋—面板連接進行疲勞估算是合適的。

計算模型中縱肋—面板連接距離焊趾0．4t和1．0t外推點應(yīng)力分別為－55．76 MPa和－42．26 MPa，通過外推公式計算得到的熱點應(yīng)力值為－64．81 MPa。因為熱點應(yīng)力是線性應(yīng)力的疊加，因此對于該大橋正交異性板縱肋—面板焊接接頭疲勞壽命估算時，在彈性范圍內(nèi)可以使用100 kN軸載下的此熱點應(yīng)力值為基準(zhǔn)進行計算。

圖6 正交異性鋼橋面板縱肋—蓋板連接焊接趾附近的節(jié)點應(yīng)力

根據(jù)IIW規(guī)范，縱肋—面板焊接接頭熱點應(yīng)力符合100分級，考慮軸載為0～1加載情況，則100 kN軸載對應(yīng)的疲勞應(yīng)力幅為64．81 MPa，可以得出該大橋正交異性板縱肋—面板焊接接頭200萬次疲勞壽命對應(yīng)的等效軸載為154．3 kN。

4 結(jié)語

在輪壓荷載下，面板上的應(yīng)力分布范圍較小，兩個輪壓對應(yīng)力產(chǎn)生的疊加效應(yīng)不明顯。針對本文的正交異性板設(shè)計方案，采用20節(jié)點實體單元模擬其縱肋—面板焊接接頭時，焊接區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象分布在距離焊趾0．4t以內(nèi)，之后應(yīng)力呈線性分布。利用IIW規(guī)范對該焊接接頭進行疲勞估算時，在100 kN軸載下，縱肋—面板焊接接頭熱點應(yīng)力值為－64．81 MPa。200萬次常幅疲勞壽命對應(yīng)的軸載為154．3 kN。

［1］詹志鵠，夏洪祿．船舶縱向構(gòu)件疲勞評估的熱點應(yīng)力方法［J］．船海工程，2007，36(4)：15-19．

［2］王 忠，張開林，魏 朔．機車減振器座焊縫疲勞的熱點應(yīng)力分析［J］．內(nèi)燃機車，2006(8)：12-14，21．

［3］Hobbacher A．Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components IIW Document XIII-1965-03，XV-1127-03，Paris，2005．

［4］Ericksson A．Weld Evaluation Using FEM：A Guide to Fatigueloaded Structures［M］．Stockholm：Industrilitteratur，2003．

［5］Xiao Z．G．，Yamada K．，Inoue J．，et al．Fatigue Cracks in Longitudinal Ribs of Steel Orthotropic deck．Int．J．Fatigue，2009 (28)：409-416．

Analysis on hot-spot stress of orthotropic longitudinal rib-surfacing plate welding joint

CHI Xiao-qiZHANG Hai-fang

(College of Building Engineering，Beijing University of Industry，Beijing 100124，China)

The paper carries out the finite element analysis of hot-spot stress method of orthotropic longitudinal rib-surfacing plate welding joint．ABAQUS simulation results show that：the wheel-pressure has little effect upon the steel-plate bridge stress influence scope of orthotropic plate，there is little effect of longitudinal rib-surfacing plate stress，nonlinear stress distribution of the joint is within 0．4t，stress distribution features are in accordance with the hot-spot stress research achievements of the horizontal plate welding structure．

orthotropic plate，longitudinal rib-covering slab joint，hot-spot stress，fatigue analysis

U443．31

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.22.072

1009-6825(2012)22-0179-02

2012-05-04

遲嘯起(1986-)，男，在讀碩士