碳纖維布加固鋼箱梁的熱點應(yīng)力計算方法研究＊

方太云，陳雄飛，楊朝輝，張 劍，艾 軍

（1.江蘇省交通運輸廳 工程質(zhì)量監(jiān)督局，江蘇 南京210001；2.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京214521；3.浙江交工高等級公路養(yǎng)護有限公司，浙江 杭州310019；4.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京210016）

鋼箱梁是一種復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，疲勞強度是評定焊接結(jié)構(gòu)一項重要的技術(shù)指標。疲勞裂紋一般出現(xiàn)在焊接接頭的焊趾處，主要由焊趾附近的最大應(yīng)力所引起，因此，常使用結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法來評價焊接接頭的疲勞強度。結(jié)構(gòu)應(yīng)力也被稱作熱點應(yīng)力，所謂熱點是指焊接構(gòu)件節(jié)點處最可能發(fā)生疲勞裂紋的起始點［1］。鋼橋的疲勞設(shè)計主要使用的是名義應(yīng)力和熱點應(yīng)力。名義應(yīng)力方法需要首先計算出構(gòu)件相關(guān)截面上的平均應(yīng)力，然后判斷平均應(yīng)力是否小于疲勞斷裂時的持久名義應(yīng)力。相比與名義應(yīng)力，熱點應(yīng)力計算考慮到焊接接頭結(jié)構(gòu)細部處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，而焊趾通常為疲勞裂紋萌生和擴展的關(guān)鍵部位［2－3］。熱點應(yīng)力計算的研究主要通過測試手段或者通過數(shù)值計算的手段得到。相關(guān)學(xué)者用熱點應(yīng)力方法整理了不銹鋼弧形焊接構(gòu)件節(jié)點疲勞試驗的試驗結(jié)果。結(jié)果表明，以熱點應(yīng)力幅表示的S－N曲線適合不同疲勞等級的焊接節(jié)點的疲勞設(shè)計。文獻［4］采用試驗的方法確定了T型焊接的薄壁方形鋼管結(jié)構(gòu)熱點區(qū)域的應(yīng)變，并將名義應(yīng)力表述的S－N曲線轉(zhuǎn)換成以熱點應(yīng)力表述的S－N曲線。蒲黔輝等［5］應(yīng)用ANSYS軟件計算了正交異性鋼頂板的熱點應(yīng)力，與名義應(yīng)力法相比，熱點應(yīng)力法可以較好地反映正交異性鋼頂板疲勞開裂的實質(zhì)。碳纖維布是一種性能優(yōu)越的復(fù)合材料，具有高強度、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，纖維布加固工程已有諸多學(xué)者予以重視，本文就碳纖維布加固鋼箱梁的熱點應(yīng)力展開分析。

1 鋼箱梁加固方法

節(jié)段式鋼箱梁試件的形狀和尺寸如圖1所示，試件為由頂板和U型縱肋焊接而成的結(jié)構(gòu)。其中，試件的材料為Q345b鋼，焊接材料為E50型。采用2種加固方式，加固方式Ⅰ為單層碳纖維布加固，纖維布整個粘貼頂板底部和U肋邊緣；加固方式Ⅱ為單層碳纖維布加固，纖維布粘貼頂板底部和U肋邊緣，但U肋底部不粘貼。

圖1 節(jié)段式鋼箱梁試件尺寸

2 鋼箱梁計算模型和數(shù)據(jù)分析

本文應(yīng)用ANSYS軟件建立有限元模型。鋼箱梁模型采用體單元solid45模擬，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3；碳纖維布采用shell63單元模擬（見圖2和圖3），其彈性模量為230GPa和，泊松比為0.1。

圖2 加固方式Ⅰ有限元模型圖

圖3 加固方式Ⅱ纖維布有限元模型圖

由于鋼箱梁加固有限元模型具有對稱性，因此，選取1／2來顯示應(yīng)力計算結(jié)果即可。鋼箱梁加固有限元部分應(yīng)力云圖如圖4～圖7所示。

圖4 加固方式Ⅰ的鋼箱梁x方向應(yīng)力云圖

圖5 加固方式Ⅰ的纖維布x方向應(yīng)力云圖

圖6 加固方式Ⅱ的鋼箱梁x方向應(yīng)力云圖

圖7 加固方式Ⅱ的纖維布x方向應(yīng)力云圖

各種加固方式計算出的最大應(yīng)力結(jié)果見表1。從表1可知，鋼箱梁各種加固方式計算出的x方向應(yīng)力分量較大，這是因為建模焊縫處存在變截面，變截面易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。考慮到加載過程中力的傳遞是通過液壓缸首先傳遞給一塊鋼板，然后傳遞給一塊橡膠板，最后才傳遞給試件；因此，本文建模過程中約束了試件上一部分節(jié)點的位移，使得試件與橡膠板接觸部分的位移變形一致。通過在面上施加力來模擬加載過程，當面載荷轉(zhuǎn)換為節(jié)點載荷后，在邊緣節(jié)點處易引起類似于集中力引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象。當除去這部分節(jié)點后，其余模型的應(yīng)力水平滿足要求。

表1 鋼箱梁應(yīng)力計算結(jié)果 （MPa）

近年來，使用熱點應(yīng)力的方法對焊接結(jié)構(gòu)進行疲勞設(shè)計和評定受到廣泛重視。使用熱點應(yīng)力評定焊接區(qū)域，主要有如下幾種外推的方法：1）直接提取距離熱點0.5t處的應(yīng)力值，以該處的應(yīng)力值作為熱點處的應(yīng)力值；2）各船級社推薦，提取距離熱點位置0.5t和1.5t處的應(yīng)力值進行外推；3）國際焊接學(xué)會（IIW）推薦，提取距離熱點0.4t和1.0t處的應(yīng)力值進行兩點線性外推；4）提取距離熱點0.4t、0.9t和1.4t處的應(yīng)力值進行三點二次外推；5）提取距離熱點0.5t、1.0t和2.5t處的應(yīng)力值進行三點二次外推。

對比這5種模型計算出的鋼箱梁頂板熱點處的應(yīng)力（見表2）發(fā)現(xiàn)，加固方式Ⅰ、加固方式Ⅱ的熱點應(yīng)力差別不大，而加固方式Ⅱ相對于加固方式Ⅰ更節(jié)省材料，故加固方式Ⅱ相比為可取。

表2 加固方式Ⅰ模型熱點應(yīng)力

表3 加固方式Ⅱ模型熱點應(yīng)力

3 結(jié)語

疲勞裂紋的出現(xiàn)使得鋼箱梁運營存在重大隱患，碳纖維布加固是疲勞加固的一種較為有效的措施。本文根據(jù)節(jié)段式構(gòu)件，采用碳纖維布不同的粘貼加固方式進行處理，并建立碳纖維布加固鋼箱梁的ANSYS有限元模型，鋼箱梁模型采取體單元solid45模擬，碳纖維布采用shell63單元模擬，并利用多種外推方法對焊接區(qū)域的熱點應(yīng)力進行了計算分析。綜合疲勞應(yīng)力和經(jīng)濟指標可知，焊接部位粘貼纖維布的加固方式（加固方式Ⅱ）更具有優(yōu)勢。

［1］周太全.橋梁構(gòu)件局部熱點應(yīng)力分析及其疲勞損傷累積過程模擬［D］.南京：東南大學(xué)，2003.

［2］曾志斌.正交異性鋼頂板典型疲勞裂紋分類及其原因分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2011，143（2）：9－15，26.

［3］賈法勇，霍立興，張玉鳳，等.熱點應(yīng)力有限元分析的主要影響因素［J］.焊接學(xué)報，2003，24（3）：27－30，100.

［4］吳阿明.橋梁鋼結(jié)構(gòu)腐蝕與疲勞應(yīng)力研究［D］.西安：長安大學(xué)，2013.

［5］蒲黔輝，高立強，劉振標，等.基于熱點應(yīng)力法的正交異性鋼頂板疲勞驗算［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2013，48（3）：395－401.