橫梁腹板切口形狀對正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響研究

高立強

(中鐵大橋局集團橋梁科學研究院有限公司,武漢 430034)

橫梁腹板切口形狀對正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響研究

高立強

(中鐵大橋局集團橋梁科學研究院有限公司,武漢 430034)

在正交異性鋼橋面板中,橫梁腹板與縱肋連接部位及橫梁腹板切口邊緣處較容易發生疲勞開裂,為了弄清橫梁腹板切口形狀對這兩個構造細節疲勞性能的影響規律,采用有限單元法,通過在3種作用下采用不同切口形狀的正交異性板各考察點主拉應力或面外應力比率的對比研究,得出以下結論:(1)在剪切作用下,切口形狀對縱肋與橫梁連接部位的應力影響不大,切口邊緣半徑對橫梁切口邊緣拉應力影響很大;(2)在支撐作用下,切口尺寸越大,縱肋與橫梁連接部位的應力越大;(3)在面外作用下,切口尺寸越大,橫梁對縱肋的面外轉動變形約束越小,面外應力比率越小。

正交異性鋼橋面板;切口形狀;疲勞;有限單元法;應力分析

1 概述

正交異性鋼橋面板自重輕、剛度大,是目前鋼結構橋梁中普遍采用的橋面板結構[1]。歸納起來正交異性板主要有以下幾個方面的應用:(1)采用鋼箱主梁的大跨度斜拉橋和懸索橋,如廣東虎門大橋和江蘇蘇通長江大橋;(2)鋼桁架橋梁的整體橋面板,如京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋和濟南黃河大橋;(3)城市高架橋中跨線部分采用的鋼箱梁,在跨線部分用鋼箱梁替代混凝土梁可大幅減小施工對交通的影響。

正交異性板直接承受車輛的輪壓荷載,相對其他構件,其各部位應力影響線短,設計壽命期內疲勞循環次數多,再加上構造復雜,焊縫很多,疲勞開裂問題是影響其應用的主要問題,國內外都有關于正交異性板疲勞開裂的報道[2-9]。正交異性板的疲勞敏感構造很多,其中縱肋與橫梁的連接部位是一個重要的連接構造,與此構造相關的疲勞開裂形式很多,早期的縱肋與橫梁的連接構造是縱肋在橫梁處斷開,然后再通過角焊縫與橫梁腹板相連,這種構造后來被證明疲勞性能很差,現在已不采用[1],目前該構造都是采用的連續縱肋穿過橫梁腹板。為了便于校正安裝誤差和減小焊接殘余應力,以及當橫梁抗扭剛度較大時減小面外作用產生的次應力,一般要在縱肋下方的橫梁腹板上開孔,這里稱之為橫梁腹板切口。

縱肋與橫梁腹板連接焊縫端部及切口邊緣是采用新型連接方式正交異性板主要的疲勞敏感部位,這兩個部位的應力產生原因異常復雜,歸納起來有3點,分別為橫梁平面內的剪切作用、橫梁對縱肋的面內支撐作用和橫梁與縱肋的相對轉動作用,3種作用中剪切作用和支撐作用是面內作用,橫梁與縱肋的相對轉動作用是面外作用。橫梁腹板的切口形狀是影響該構造疲勞性能的重要設計參數,本文選取了6種較為典型的橫梁腹板切口形狀[10-13],從應力產生原因入手,考察各種作用下采用不同切口形狀的橫梁腹板連接焊縫端部及切口邊緣的應力情況,研究切口形狀對正交異性板疲勞性能的影響規律。

2 有限元模型

本文選取6種典型的橫梁腹板切口形狀進行對比分析,如圖1所示,分別為:(1)歐洲鋼橋規范EC3推薦的公路橋切口形式[10];(2)日本橋梁規范推薦的切口形式[12];(3)歐洲鋼橋規范EC3推薦的鐵路橋切口形式[10];(4)美國公路橋梁規范AASHTO推薦的切口形式[11];(5)美國的Williamsburge橋采用的孔形[13]; (6)美國的BronxWhitestone橋采用的孔形[13]。

圖1 6種典型的橫梁腹板切口形狀(單位:mm)

圖2 計算模型(單位:mm)

切口形狀影響研究的計算模型如圖2(a)、圖2 (b)所示,模型由4個節段組成,每個節段長為3 m,總長為12 m,模型寬度為3 m,由5根縱肋組成,縱肋形狀為梯形,上下寬度分別為300、170 mm,高280 mm。橫梁的高度為1 m,橋面板、橫梁腹板、縱肋的板厚分別為16、16、10 mm,橫梁下翼緣寬200 mm,板厚為16 mm。模型的加載荷載為面荷載,橫向作用在L3的頂部,縱向作用在中間橫梁H1兩側節段的跨中,共2個作用區域,作用范圍都為200 mm×600 mm,關于H1對稱,面荷載集度為583.3 kN/m2。計算模型的有限元模型采用有限元軟件Ansys建立,如圖2(c)所示,所有的鋼板均采用板殼單元模擬,為減少有限元模型的單元數,同時保證模型的計算精度,在進行模型單元劃分時對不同的部位采用不同的單元尺寸,對考察的橫梁兩側10 cm范圍內采用邊長為1 cm的四邊形單元劃分,然后再各以10 cm范圍進行過渡,單元尺寸為5 cm,其余部分單元尺寸為7.5 cm。模型的邊界條件是橫梁兩端及橋面板的兩側邊緣所有節點3個方向的自由度都進行約束,以模擬主梁結構對正交異性板結構的約束。

計算模型在荷載的作用下,中間橫梁H1承受面內作用,用于考察在面內作用下切口形狀對縱肋與橫梁連接部位及橫梁切口邊緣應力的影響,各縱肋處疲勞敏感部位的應力都是由多種面內作用疊加而成的,但各縱肋體現出的作用又有所側重,其中縱肋L1主要體現出的是橫梁的剪切作用,縱肋L3主要體現出的是橫梁對縱肋的支撐作用,這樣就可以針對不同的作用分別考察切口形狀的影響;橫梁H2除承受面內作用外,還要承受縱肋的轉動作用,即面外作用,選擇該橫梁處的L3考察在面外作用下切口形狀對縱肋與橫梁連接部位應力的影響。

3 不同作用下考察點應力對比研究

用6種孔形分別建立有限元模型,通過不同切口形狀的正交異性板結構在剪切作用、支撐作用、面外作用下主要考察部位應力的對比,研究切口形狀對正交異性板疲勞性能的影響。各切口形狀的參數如表1所示,以孔形3為例,各參數的所指如圖3所示。

表1 切口形狀參數mm

圖3 考察點布置(單位:mm)

橫梁腹板H1處的縱肋L1用于考察剪切作用,考察點L1-2與L1-3位于縱肋與橫梁連接焊縫端部的橫梁腹板與縱肋上,由于切口形狀的不同,L1-1點無法確定統一的定位方法,這里采用切口邊緣的最大主拉應力點作為L1-1點;橫梁腹板H1處的縱肋L3用于考察支撐作用,考察點L3-2與L3-3位于縱肋與橫梁連接焊縫端部的橫梁腹板與縱肋上,支撐作用對切口邊緣應力影響較小,考察支撐作用時不考察切口邊緣應力。以孔形3為例,面內作用的應力考察點如圖3(a)所示。

橫梁腹板H2處的L3用于考察面外作用,采用面外應力比率來評價面外作用的大小,所謂面外應力比率即面外應力分量與面內應力分量的比值。考察點B-1的面外應力比率用于評價縱肋對橫梁腹板的約束情況;取縱肋上的B-2-1和B-2-2兩點,類比橫梁兩側點的應力計算縱肋面外應力比率,用于考察橫梁對縱肋的約束情況。以孔形3為例,面外作用的應力考察點如圖3(b)所示。圖3中的考察點以應變花的形式給出,表示考察的是該點的主拉應力。

3.1 剪切作用

剪切作用考察縱肋L1與H1連接處,考察點為L1-1、L1-2、L1-3。

圖4給出了剪切作用下各考察點主拉應力隨切口孔形的變化情況,其中L1-3的應力可以直接反應剪切作用的大小。從圖4可以看出各種切口形狀的L1-3點的應力隨著切口尺寸的增大略有增大,但相差不多,都約為5 MPa,說明切口尺寸增大對抗剪性能的削弱不是很明顯,切口形狀對剪切作用的影響不大。

由于切口形狀的不同,L1-1點和L1-2點應力不能直接反映剪切作用的大小,但可以看出L1-1點與切口邊緣半徑R2直接相關,孔形3的R2最大為160 mm,則其切口邊緣應力最小為14.97 MPa,孔形4的R2最小為20 mm,則其切口邊緣應力最大為28.11 MPa,L1-1點與切口邊緣半徑R2直接相關,孔形3的R2最大為160 mm,則其切口邊緣應力最小為14.97 MPa,孔形4的R2最小為20 mm,則其切口邊緣應力最大為28.11 MPa,L1-2點的應力與參數D關系較大,孔形2和孔形4的參數D最小為20 mm,它們的L1-2應力也最小,分別為0.78 MPa和1.29 MPa。

圖4 剪切作用應力隨切口形狀變化曲線

3.2 支撐作用

支撐作用考察縱肋L3與H1連接處,考察點為L3-2、L3-3。

圖5給出了支撐作用下各考察點主拉應力隨切口孔形的變化情況,L3-3點的應力可以直接反映支撐作用的大小。由圖5可以看出,支撐作用與參數C關系最大,參數Cb和D對其有一定影響,這三個參數值越大,支撐作用產生的應力就越大,各縱肋中孔形6的C為90 mm,Cb為20 mm,D為70.16 mm,則其L3-3點的應力最大為11.01 MPa,孔形1的C為48.17 mm,Cb為20 mm,D為31.61 mm,則其L3-3點的應力最小為0.01 MPa。

圖5 支撐作用應力隨切口形狀變化曲線

L3-2點的應力除了與支撐作用相關外,受參數D的影響較大,孔形2和孔形4的參數D最小為20 mm,它們的L3-2應力也最小,分別為-3.72 MPa和-3.89 MPa。

3.3 面外作用

面外作用考察縱肋L3與H2連接處,考察點為B-1、B-2。

圖6給出了縱肋L3與橫梁H2連接部位各點的面外應力比率隨切口形狀的變化情況,其中B-2的面外應力比率可以體現橫梁腹板對縱肋面外轉動的約束情況。可以看出,影響這一參數的仍是切口尺寸參數C、Cb、D,切口面積較小的孔形1和孔形2的B-2面外應力比率均較大,分別為64.11%和126.70%,切口面積較大的孔形3、4、5、6面外應力比率較小,分別為13.57%、28.50%、18.55%、9.80%。

B-1的面外應力比率除了與橫梁對縱肋的約束剛度有關外,還與切口參數D關系較大,孔形2和孔形4的參數D最小為20 mm,它們的B-1面外應力比率也最小,分別為15.81%和25.79%。

圖6 面外應力比率隨切口形狀變化曲線

4 結論

通過對采用不同切口形狀的正交異性板各考察點主拉應力或面外應力比率的對比研究,可以得出以下結論。

(1)在剪切作用下,切口形狀對縱肋與橫梁連接部位的應力影響不大,切口邊緣半徑對橫梁切口邊緣拉應力影響很大;

(2)在支撐作用下,切口尺寸越大,縱肋與橫梁連接部位的應力越大;

(3)在面外作用下,切口尺寸越大,橫梁對縱肋的面外轉動變形約束越小,面外應力比率越小。

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Influence of Crossbeam Web Cutout Shape on Fatigue Performance of Steel Orthotropic Deck

GAO Li-qiang
(Bridge Science Research Institute,China Railway Major Bridge Engineering Group Co.,Ltd.,Wuhan 430034,China)

Fatigue cracks are prone to appear near the joint of crossbeam web with rib and the edge of web cutout in orthotropic steel bridge deck.In order to understand how cutout shape of crossbeam web affects the fatigue performance of the two details,finite element method is applied.A comparative study is conducted on principal tensile stresses or out-of-plane stress ratio at all investigated points of orthotropic steel bridge deck with different cutout shapes under three actions.Conclusions are obtained as follows: 1)under the action of shearing effect,cutout shape has little effect on stress of the joint between crossbeam web and rib,while radius of cutout edge has great effect on stress of edge of cutout;2)under the action of supporting effect,the larger the size of the cutout,the bigger the stress of the joint between crossbeam web and rib;3)under the action of out-of-plane effect,the larger the size of the cutout,the smaller the constraint effect of the crossbeam towards,the rotation deformation of the rib,the smaller the out-of-plane stress ratio.

Orthotropic steel bridge deck;Web cutout shape;Fatigue;Finite element method;Stress analysis

U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.017

1004-2954(2014)12-0067-04

2014-05-06;

2014-05-11

高立強(1984—),男,工程師,2013年畢業于西南交通大學橋梁與隧道工程專業,工學博士,E-mail:gaoliqiang1984@126.com。