U肋與橫隔板連接疲勞開裂加固手孔開設(shè)方法初探

龔代勛

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

U肋與橫隔板連接疲勞開裂加固手孔開設(shè)方法初探

龔代勛

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

受復(fù)雜焊接構(gòu)造形式和受力特性的影響，U肋與橫隔板連接疲勞開裂表現(xiàn)出多發(fā)性、早發(fā)性、再現(xiàn)性的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了正交異性鋼橋面板的正常使用性能。為保證正交異性鋼橋面板的安全使用，合理延長(zhǎng)其使用壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該連接構(gòu)造細(xì)節(jié)的加固方法展開了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。但受實(shí)際條件和加固操作空間的限制，提出的各種加固方法在實(shí)橋中的應(yīng)用仍面臨著可行性的難題。文章在現(xiàn)有的U肋橫隔板連接疲勞開裂局部加固方法的基礎(chǔ)上，提出了一種在實(shí)橋中具備可操作性的加固方法。并結(jié)合有限元方法對(duì)該加固方法進(jìn)行了深入的分析，研究成果對(duì)正交異性鋼橋面板的設(shè)計(jì)、檢測(cè)、加固有一定的指導(dǎo)意義。

正交異性鋼橋面板； U肋與橫隔板連接； 加固方法； 手孔； 有限元； 力學(xué)特性

正交異性鋼橋面板是由頂板、縱肋、橫隔板三部分焊接而成以共同承擔(dān)車輛荷載的橋面結(jié)構(gòu)，自發(fā)明以來便憑借著其自重輕、承載能力大、傳力整體性好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用[1]。目前世界各國(guó)已建成的采用正交異性鋼橋面板的各類橋梁已超過1500余座，中國(guó)正在運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃中的該類型橋梁數(shù)量已達(dá)200余座，該結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用大大推動(dòng)了橋梁工程向大跨、重載和結(jié)構(gòu)造型多樣化等方向發(fā)展[2]。然而隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)外正交異性鋼橋面板均有發(fā)現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象。疲勞裂紋的多發(fā)性、早發(fā)性、普遍性、再現(xiàn)性等特點(diǎn)嚴(yán)重影響著正交異性鋼橋面板的使用性能。受復(fù)雜焊接構(gòu)造和受力特性的影響，U肋與橫隔板交叉連接部位為疲勞裂紋多發(fā)區(qū)，據(jù)日本首都高速道路鋼橋面板疲勞裂紋統(tǒng)計(jì)，與橫隔板相關(guān)的疲勞裂紋占裂紋總數(shù)的46 %[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該連接構(gòu)造細(xì)節(jié)的加固方法已開展了大量的理論和試驗(yàn)研究[4]，常用的加固方法大致可分為局部補(bǔ)強(qiáng)法、局部處理及替換法、改進(jìn)鋪裝層結(jié)構(gòu)法等。局部補(bǔ)強(qiáng)法主要通過在疲勞開裂區(qū)粘貼或錨固鋼板、角鋼、碳纖維板，以改變局部區(qū)域的傳力路徑，降低應(yīng)力集中，達(dá)到阻止疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的目的；局部處理及替換法通常采用局部更換部件、重熔法、超聲波錘擊法、砂輪磨修、錐形砂輪磨光法等消除疲勞裂紋；改進(jìn)鋪裝層結(jié)構(gòu)法主要通過在鋼橋面頂板增設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)鋪裝層，形成正交異性組合橋面板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的剛度與強(qiáng)度，以達(dá)到降低疲勞易損部位應(yīng)力幅、抑制疲勞裂紋擴(kuò)展的目的。局部補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)不同類型、長(zhǎng)度、方向的疲勞裂紋均有較好的加固效果，局部處理及替換法通常僅適用于疲勞裂紋開裂長(zhǎng)度較短的情況。而改進(jìn)鋪裝層結(jié)構(gòu)法需要中斷交通，且加固周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。

對(duì)于U肋與橫隔板交叉連接部位的維修加固，由于受到加固操作空間的限制，嚴(yán)重影響了加固方法實(shí)施的可行性，因此本文提出在鄰近U肋與橫隔板交叉連接部位U肋底緣位置開設(shè)手孔的方法對(duì)U肋橫隔板連接疲勞開裂進(jìn)行檢測(cè)、維修與加固，并結(jié)合大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)實(shí)橋開設(shè)手孔前后靜力特性、疲勞特性作對(duì)比分析，研究成果對(duì)實(shí)橋中U肋與橫隔板交叉連接部位疲勞開裂的維修加固具有一定參考意義。

1 U肋與橫隔板交叉連接部位加固

U肋與橫隔板交叉連接部位受力情況復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。在汽車荷載的反復(fù)作用下，縱肋反復(fù)的豎向撓曲變形將引起橫隔板產(chǎn)生反復(fù)多次的面外彎曲，由于受到面外約束的影響，在U肋與橫隔板連接焊縫處將會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲次應(yīng)力，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生；另外橫肋作為鋼箱梁的橫梁，在荷載作用下將會(huì)產(chǎn)生豎向的撓曲變形，由于弧形開孔的存在，在弧形開孔自由邊上將會(huì)產(chǎn)生較大的面內(nèi)彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。在以上兩種次應(yīng)力循環(huán)作用下，使得U肋與橫隔板交叉連接部位成為疲勞裂紋多發(fā)區(qū)域。U肋與橫隔板交叉連接部位的疲勞裂紋大致可以分為以下三類[5](圖1)：起始于U肋與橫隔板連接焊縫焊趾下端，平行于焊趾方向沿U肋腹板擴(kuò)展的一類裂紋；起始于U肋與橫隔板連接焊縫下端，斜向沿橫隔板腹板擴(kuò)展的二類裂紋；起始于縱肋下端橫隔板腹板弧形缺口處，大致沿橫隔板腹板橫向或斜向擴(kuò)展的三類裂紋。

圖1 U肋橫隔板交叉部位典型疲勞裂紋

受操作空間限制，適用于U肋與橫隔板交叉連接部位的加固方法較為有限，參考國(guó)內(nèi)外加固文獻(xiàn)資料，在U肋與橫隔板交叉連接部位常用的加固方法有止裂孔法、冷連接板件法，同時(shí)改進(jìn)鋪裝層對(duì)于降低該部位應(yīng)力集中現(xiàn)象和改善疲勞性能也有一定作用。然而考慮到加固成本、加固效果等因素，對(duì)于U肋與橫隔板連接疲勞開裂常用的加固方法為使用高強(qiáng)螺栓栓接角鋼加固[6-8]。栓接角鋼對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，增強(qiáng)了U肋與橫隔板的局部剛度，減小了面外變形，荷載通過角鋼傳遞，降低了裂紋處的應(yīng)力值，對(duì)U肋與橫隔板連接疲勞開裂加固效果較為理想。

2 實(shí)橋可實(shí)施加固方案

對(duì)于一、二類裂紋，當(dāng)采用高強(qiáng)螺栓栓接角鋼進(jìn)行加固時(shí)，由于在實(shí)橋當(dāng)中難以接近U肋內(nèi)部，因此常規(guī)方法下無法利用螺栓對(duì)角鋼和U肋進(jìn)行連接加固。為了解決這一問題，本文提出通過在離發(fā)生疲勞開裂的U肋與橫隔板交叉連接部位較近的U肋底緣位置開設(shè)手孔的方式實(shí)現(xiàn)角鋼和U肋的高強(qiáng)螺栓連接。由于在U肋底緣位置開設(shè)手孔為新的構(gòu)造形式，因此本文參考港珠澳大橋手孔尺寸(圖2)。考慮到實(shí)際操作需要，取手孔邊緣與橫隔板距離L1為定值200 mm。

圖2 港珠澳大橋手孔尺寸(單位：mm)

手孔開設(shè)位置離橫隔板距離較近，在該區(qū)域U肋受負(fù)彎矩，U肋底緣主要受壓，理論上局部開設(shè)的手孔不會(huì)對(duì)正交異性鋼橋面板的性能產(chǎn)生大的影響，但由于開設(shè)手孔可能會(huì)引入新的疲勞易損細(xì)節(jié)，為防止新的疲勞易損細(xì)節(jié)導(dǎo)致疲勞性能降低，因此需要對(duì)開設(shè)手孔的可行性進(jìn)行分析。

3 加固方法力學(xué)特性研究

3.1 有限元模型

為了研究開設(shè)手孔的可行性，結(jié)合某公路大橋鋼箱梁構(gòu)造參數(shù)(圖3)，利用大型通用有限元軟件ANSYS建立標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁節(jié)段模型，對(duì)實(shí)橋的靜力性能和疲勞性能進(jìn)行評(píng)估。鋼箱梁節(jié)段模型順橋向取12個(gè)橫梁間距共計(jì)30 m長(zhǎng)度建模，考慮到鋼箱梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算工作量，節(jié)段模型橫橋向沿中心線取鋼箱梁二分之一進(jìn)行建模(圖4)。

圖3 鋼箱梁橫斷面(單位：mm)

圖4 有限元模型示意

其中關(guān)注區(qū)域采用實(shí)體單元Solid45，其余部分采用板殼單元Shell63，實(shí)體單元與板殼單元之間通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式建立連接。有限元模型共包含節(jié)點(diǎn)數(shù)1 372 251，單元共1 010 285個(gè)。模型中所采用的材料為Q345鋼材，容重7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比0.3。正交異性鋼橋面板縱向U肋斷面尺寸為300 mm×280 mm×8 mm，頂板厚16 mm，U肋腹板厚8 mm，橫隔板厚14 mm。

3.2 靜力特性分析

靜力荷載考慮車輛荷載、結(jié)構(gòu)自重，加載車輛采用JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的車輛荷載模型。縱向加載工況考慮在關(guān)注區(qū)域車輛后輪車軸位于橫隔板正上方(Z1)、車輛后輪車軸對(duì)稱分布橫隔板正上方(Z2)以及車輛后輪車軸位于跨中位置(Z3)三種工況(圖5)。橫向考慮車輛中載(按車道中心線布置4個(gè)車輛荷載)和車輛偏載(參考JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中車輛荷載橫向布置規(guī)定沿路緣石依次布載)2種工況，共計(jì)6種工況。

圖5 縱向加載工況示意

考慮到U肋與橫隔板連接焊縫焊趾處和橫隔板弧形開孔處為疲勞裂紋多發(fā)區(qū)，因此選取U肋橫隔板連接焊縫焊趾下方5 mm處A、B點(diǎn)、橫隔板弧形開孔周邊5 mm處C、D點(diǎn)作為關(guān)注點(diǎn)(圖6)。對(duì)比開設(shè)手孔前后各關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力變化情況，從而研究手孔對(duì)于實(shí)橋靜力特性的影響。

圖6 關(guān)注點(diǎn)示意

計(jì)算結(jié)果表明(圖7、圖8)，中載情況下A、B、D三點(diǎn)主要受主拉應(yīng)力影響，C點(diǎn)受主壓應(yīng)力影響；偏載情況下A、D主要受主拉應(yīng)力影響，B、C受主壓應(yīng)力影響。并通過對(duì)比分析6種工況下開設(shè)手孔前后應(yīng)力變化幅度，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)A、B、C、D四點(diǎn)在開設(shè)手孔前后主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力和等效應(yīng)力的變化幅度均較小，因此可以認(rèn)為手孔對(duì)于實(shí)橋靜力特性無明顯影響。

(a)中載主拉應(yīng)力

(b)中載主壓應(yīng)力

(c)中載等效應(yīng)力圖7 中載工況下開設(shè)手孔前后應(yīng)力對(duì)比

(a)偏載主拉應(yīng)力

(b)偏載主壓應(yīng)力

(c)偏載等效應(yīng)力圖8 偏載工況下開設(shè)手孔前后應(yīng)力對(duì)比

中載Z2工況下手孔自由邊的應(yīng)力云圖如圖9所示。手孔自由邊最大主拉應(yīng)力為86.2 MPa，出現(xiàn)在手孔圓弧與直線段過渡區(qū)域，在車輛荷載的反復(fù)作用下，手孔自由邊可能產(chǎn)生新的疲勞易損細(xì)節(jié)，因此有必要對(duì)手孔自由邊疲勞特性進(jìn)行評(píng)估。

圖9 中載Z2工況下手孔應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3.3 疲勞特性分析

選取車輛荷載作用下主拉應(yīng)力較大的縱肋與橫隔板連接處A、D點(diǎn)和手孔圓弧自由邊主拉應(yīng)力最大的E點(diǎn)作為疲勞性能研究關(guān)注點(diǎn)。采用JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型Ⅲ加載。首先橫向加載得到關(guān)注點(diǎn)橫橋向最不利加載位置，然后按各關(guān)注點(diǎn)的橫橋向最不利荷載位置沿縱橋向加載得到各關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線(圖10)。

(a)關(guān)注點(diǎn)A點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線

(b)關(guān)注點(diǎn)D點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線

(c)關(guān)注點(diǎn)E點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線圖10 各關(guān)注點(diǎn)縱向應(yīng)力時(shí)間歷程曲線

對(duì)比開設(shè)手孔前后A、D關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線，可以發(fā)現(xiàn)手孔對(duì)于關(guān)注區(qū)域疲勞特性無明顯影響，這可能是因?yàn)殚_設(shè)手孔雖然在一定程度上削弱了U肋底板剛度，但對(duì)于U肋橫隔板交叉連接部位的受力特性、傳力途徑和局部剛度無明顯影響，因此認(rèn)為手孔對(duì)于實(shí)橋疲勞特性無明顯影響。A、D、E三點(diǎn)沿縱橋向一次跑車情況下的等效應(yīng)力幅分別為66.27 MPa、17.01 MPa、28.41 MPa，A點(diǎn)等效應(yīng)力幅值相對(duì)E點(diǎn)較大，A點(diǎn)為疲勞開裂控制點(diǎn)。然而考慮到實(shí)際操作需要和受力特性，有必要對(duì)手孔尺寸做進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 手孔尺寸參數(shù)優(yōu)化

為了確定合理的手孔幾何參數(shù)形式，研究手孔尺寸對(duì)手孔自由邊最大主應(yīng)力的影響，本文選取手孔自由邊直線段長(zhǎng)度L2為參數(shù)進(jìn)行研究，通過改變手孔自由邊直線段長(zhǎng)度L2，分析手孔自由邊最大主應(yīng)力在最不利荷載情況下的變化情況，從而擬定最優(yōu)尺寸形式(圖11)。

圖11 手孔自由邊最大主應(yīng)力

可以發(fā)現(xiàn)手孔自由邊最大主應(yīng)力隨著直線段L2長(zhǎng)度減小而隨之減小。因此考慮到實(shí)際操作需要和剛度的影響，建議取直線段長(zhǎng)度L2等于0 mm時(shí)的尺寸形式(即半徑40 mm圓形手孔)。

5 結(jié) 論

(1)利用有限元軟件ANSYS建立鋼箱梁節(jié)段模型對(duì)比分析開設(shè)手孔前后U肋與橫隔板交叉連接部位應(yīng)力變化情況，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力幅度變化極小，因此可以認(rèn)為手孔對(duì)于U肋橫隔板交叉連接部位靜力特性無明顯影響。

(2)對(duì)A、D、E三點(diǎn)處的應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線計(jì)算分析可知，手孔對(duì)于鄰近U肋橫隔板疲勞特性無明顯影響。

(3)通過開設(shè)手孔的方式對(duì)U肋橫隔板交叉連接部位進(jìn)行維修加固時(shí)可行的，考慮到實(shí)際操作需要和受力特性等因素，推薦采用半徑40 mm的圓形手孔。

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[定稿日期]2017-06-09

龔代勛(1991～)， 男，碩士研究生，研究方向?yàn)殇摌蚱凇?/p>