疲勞荷載模型III下的公路鋼結構橋梁疲勞性能分析

梁維全

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市　200030）

疲勞荷載模型III下的公路鋼結構橋梁疲勞性能分析

梁維全

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市200030）

結合《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）疲勞荷載模型III，以某城市高架分離式雙箱鋼箱梁正交異性橋面板為研究對象，建立其正交異性橋面板的精細化分析模型。通過有限元方法得到U肋疲勞敏感細節在疲勞荷載模型III下的應力分布，驗算了其疲勞強度。分析結果表明：正交異性鋼橋面板疲勞強度滿足抗疲勞設計要求。在疲勞荷載模型III作用下，懸臂板處U肋疲勞細節的等效應力幅較箱內和橫梁處大，懸臂板處U肋構造細節相對其余位置更容易發生疲勞損傷，為鋼箱梁抗疲勞設計驗算的控制部位。同時，鋼箱梁大懸臂下翼緣疲勞應力幅值較大，設計時需引起重視。

疲勞荷載模型III；公路；鋼結構；橋梁；疲勞性能

0　引言

正交異性鋼橋面板是由相互垂直的縱、橫向加勁肋和橋面板焊接而成的鋼橋面構造，被廣泛應用于國內、外公路鋼結構橋梁結構中［1］。正交異性鋼橋面板在車輛荷載的反復作用下，橋面系構造容易發生疲勞破壞［2］。疲勞是結構在反復荷載作用下產生的裂紋的生成、不斷擴展、最終導致構件斷裂的現象。20世紀70年代歐美國家的正交異性橋面板頻繁出現疲勞破壞的現象，引起了國內外橋梁工程師高度關注，并進行了一系列疲勞損傷基礎性研究，一些研究成果，如各類構造細節、疲勞強度等級分類和疲勞車輛荷載模型也反映在歐美各國鋼結構橋梁設計規范的條文規定內。隨著《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）［3］（下稱新規范）頒布，彌補了《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025-86）（下稱舊規范）抗疲勞設計的缺陷。主要改進有以下幾點：

（1）采用基于概率的極限狀態法進行抗疲勞設計；

（2）規定了三種疲勞車輛荷載模型I、II和III；

（3）規定了不同疲勞細節分級對應的疲勞設計應力幅；

（4）將疲勞應力幅作為抗疲勞設計的主要參數。

采用基于概率的極限狀態法和將疲勞應力幅作為抗疲勞設計的主要參數的做法是國內、外規范的主流方式。新規范還規定了三種疲勞車輛荷載模型，疲勞荷載計算模型I對應于無限壽命設計方法，疲勞荷載計算模型II是根據交通運輸部《公路橋梁疲勞設計荷載標準》研究結論給出的，疲勞計算模型III是在歐洲規范疲勞荷載模型3的基礎上修改車輪著地面積得到的。其中疲勞荷載計算模型III主要用于橋面系構件的疲勞強度驗算。

基于新規范對公路鋼結構橋梁抗疲勞設計的規定，為新規范體系下的公路鋼結構橋梁抗疲勞設計和疲勞強度驗算提供參考。本文結合《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）疲勞荷載模型III，以某城市高架分離式雙箱鋼箱梁正交異性橋面板為研究對象，建立其正交異性橋面板的精細化分析模型。通過有限元方法得到U肋疲勞敏感細節在疲勞荷載模型III下的應力分布，驗算了其疲勞強度。

1　工程實例

某城市高架橋梁采用為40 m+60 m+40 m跨徑的分離式雙箱鋼箱連續梁結構形式，橋面寬23.5 m，跨中梁高為2.0 m，中間支點梁高2.5 m，橋面板結構采用典型的正交異性橋面板構造。

鋼梁箱梁截面為分離式雙箱單室截面，外側為斜腹板，內側為豎直腹板。頂緣箱室寬度為4.1 m，懸臂板寬度為3.85 m，箱室之間橫梁寬度為7.6 m。頂底板處均設置2%橫坡。跨中處典型斷面頂板厚16 mm，加勁肋采用U型加勁肋和I型加勁肋形式。圖1為工程實例典型斷面圖。

圖1　工程實例典型斷面圖（單位：mm）

懸臂板末端布置4道16 mm×190 mm的I型加勁肋，其余加勁肋均采用U型加勁肋。U型加勁肋厚度為8 mm，高度為280 mm，間距為600 mm，U肋細部構造尺寸如圖2所示。腹板厚度為16 mm，腹板設2道I型加勁肋，尺寸為16 mm×190 mm。底板厚度為16 mm，加勁均采用I型加勁，尺寸為14 mm×160 mm，間距為400 mm。鋼箱梁縱向每隔6 m布置一道實腹式橫隔板，實腹式隔板之間每2 m布置一道空腹式橫隔板。

圖2　頂板U肋構造（單位：mm）

主要技術標準如下：

（1）道路等級：加強型主干路（直行連續交通）/城市快速路。

（2）計算行車速度：60 km/h。

（3）橋梁設計荷載：城-A級。

（4）橋梁結構設計安全等級：一級。

2　計算模型建立

2.1有限元模型建立

為分析鋼箱梁正交異性橋面板在疲勞荷載模型III下的等效疲勞應力幅，采用通用有限元程序ABAQUS6.12建立其三維板殼有限元計算模型。有限元模型如圖3所示。有限模型縱向長度取3個橫隔板間距。由于工程實例橫橋向沿鋼箱梁中心線對稱，出于節省計算開銷目的，僅取鋼箱梁半寬建模。鋼材的彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。板殼單元采用S4R單元。通過ABAQUS CAE進行幾何模型組裝、網格劃分及荷載的添加。網格劃分尺寸為20 mm，模型共劃分21萬個單元。橫隔板網格劃分如圖4所示。計算模型在鋼箱梁中心線處采用對稱邊界條件，鋼箱梁兩端處約束殼單元U1、U2和U3自由度。

圖3　有限元計算模型

圖4　橫隔板單元網格劃分

2.2疲勞荷載

疲勞計算荷載采用《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）規定的疲勞計算模型III，主要用于橋面系構件的疲勞強度驗算，是在歐洲規范疲勞荷載模型3的基礎上修改車輪著地面積得到的。疲勞荷載模型III為單車模型，模型車軸載及分布規定如圖5所示。

圖5　疲勞荷載模型III

2.3疲勞細節

國內外學者對公路鋼結構橋梁正交異性鋼橋面板的疲勞損傷現象進行了大量的調研，總結了鋼橋面板發生疲勞損壞的構造細節，可歸納為5種主要類型［4-10］（如圖6所示）:（1）頂板與U肋焊縫處的頂板縱向裂縫；（2）U肋與頂板焊縫的縱向裂縫；（3）U肋下緣對接焊縫的裂縫；（4）U肋上端過焊孔處U肋的裂縫；（5）U肋下端過焊孔處橫隔板裂縫。

本文選取上述5種疲勞細節中出現最多疲勞損傷的3個典型構造細節進行疲勞荷載模型III下的疲勞驗算。疲勞細節1為U肋橫隔板交叉處頂板縱向位置，疲勞細節2為橫隔板U肋過焊孔處，疲勞細節3為U型加勁肋縱向對接焊縫。

圖6　正交異形鋼橋面板疲勞損傷構造細節

2.4加載方式

確定疲勞細節疲勞強度的關鍵是獲得疲勞荷載模型III作用下疲勞細節產生的最大拉、壓應力，確定等效疲勞荷載應力幅。疲勞細節的應力與疲勞車的加載位置有關。加載位置的確定需要通過疲勞車輛在縱、橫橋向的移動來確定。一般可先通過橫橋加載確定疲勞細節橫向加載最不利位置，然后進行縱橋向加載，確定疲勞細節的應力幅。

橫橋向加載以U肋中心線為參考線，疲勞車荷載中線分別在橫向-0.5～0.5 m的范圍內加載，加載步長為0.1 m。縱橋向加載以橫橋向加載最不利位置為參考線，該點對應的位置為加載區域1，加載區域1向兩側偏移0.1 m分別為加載區域2 和3，加載區域1向兩側偏移0.2 m分別為加載區域4和5，疲勞車荷載中線置于加載區域1～5中，分別在縱向-2.5～2.5 m的范圍內加載，加載步長為0.2 m。得到疲勞車荷載作用下的疲勞細節應力最不利點的加載位置。按照輪轂落入各區域內概率（見圖7），按下式計算按2×106次常幅疲勞循環換算得到的等效常值應力幅，進一步可對橋面板各疲勞細節進行疲勞強度驗算。

圖7　車輪橫向位置概率（單位：m）

式中:ΔσE2為等效常值應力幅；Δφ為伸縮縫為放大系數；γ為損傷等效系數

3　正交異性橋面板疲勞性能分析

3.1疲勞應力歷程

將疲勞荷載模型III沿橫、縱向作用下箱室內部U肋疲勞細節1～3的應力歷程繪于圖8。

圖8　疲勞荷載模型III作用下的細節應力歷程

由圖8中的計算結果可知，當疲勞車輛荷載橫向位于U肋疲勞細節上方時，為該疲勞細節的橫向最不利位置。U肋疲勞細節1～3的最不利應力分別為18.1、16.2和15.5 MPa，疲勞細節1最大，疲勞細節2其次，疲勞細節3最小。

3.2疲勞驗算位置確定

為進一步驗算不同位置處U肋疲勞強度，分別選取懸臂板、箱室內部和橫梁處U肋（見圖9），分別計算不同位置U肋各個疲勞細節的等效應力幅，將計算值列于表1。

圖9　疲勞驗算位置

表1　不同位置處各疲勞細節等效應力幅

由計算結果可知，在疲勞荷載模型III作用下，懸臂板處U肋疲勞細節的等效應力幅較箱內和橫梁處大，懸臂板處U肋構造細節相對其余位置更容易發生疲勞損傷，為鋼箱梁抗疲勞設計驗算的控制部位。

3.3懸臂板抗疲勞設計

將疲勞荷載模型III作用下懸臂板下翼緣末端疲勞細節等效應力幅列于表2。懸臂板下翼緣末端疲勞細節等效應力幅為49.0 MPa，大于懸臂板U肋的疲勞細節1～3等效應力幅。因此，懸臂板抗疲勞設計時，除關注U肋疲勞細節的疲勞強度外，在疲勞荷載模型III作用下，鋼箱梁大懸臂下翼緣末端疲勞應力幅值較大，設計時需引起重視。

表2　懸臂板下翼緣末端疲勞細節等效應力幅

4　結　論

本文結合《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015），利用疲勞荷載模型III，分析了某城市高架分離式雙箱鋼箱梁正交異性橋面板疲勞性能，通過上文分析可知：

（1）正交異性鋼橋面板疲勞強度滿足抗疲勞設計要求。

（2）在疲勞荷載模型III作用下，懸臂板處U肋疲勞細節的等效應力幅較箱內和橫梁處大，懸臂板處U肋構造細節相對其余位置更容易發生疲勞損傷，為鋼箱梁抗疲勞設計驗算的控制部位。

（3）在疲勞荷載模型III作用下，鋼箱梁大懸臂下翼緣疲勞應力幅值較大，設計時需引起重視。

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U441

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1009-7716（2016）07-0129-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.038

2016-03-16

梁維全（1979-），男，河南光山人，工程師，從事橋梁設計工作。