鋼桁架橋疲勞開裂防控方法研究*

譚金華 曾國良 馬凱龍

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (長沙理工大學土木與建筑學院2) 長沙 410110)

0 引 言

美國ASCE關于疲勞與斷裂的調查報告指出80%～90%鋼結構的破壞與疲勞斷裂有關[1].很多運營期鋼桁架橋在使用一段時間后，由于構件材料的自然老化、車輛荷載的不斷加大、惡劣的環境影響，以及管理養護的不足等原因，出現疲勞裂紋和缺陷，從而導致結構承載能力、耐久性降低等結構性缺陷，并進而導致運營狀況不能滿足社會發展的需求的功能性缺陷.保障有缺陷橋梁的安全使用是擺在國內外橋梁工作者面前的重要研究課題[2].

大量的構件試驗和老橋實例都表明：維護得較好的橋梁會在保障安全運營的同時具有超過設計預期20%～80%的剩余壽命，進行技術狀態評估并提供必要的斷裂維護措施后繼續使用這些橋梁會帶來很大的經濟效益.因此，應綜合試驗、檢測、評估，以及理論研究來確定橋梁出現裂紋后的管理策略(維修、加固、監控使用)[3].

目前開裂結構損傷經常采用的有限元建模方式為采用統一的梁單元或鏈桿單元建立全橋有限元模型；對受損的局部區域單獨建立細部分析模型.前者可進行結構構件的靜力分析和模態分析，但無法分析構件細部損傷.后者把局部受損部位從結構系統中離散出來，假定遠場應力為某一定值進行加載，采用簡化模型進行斷裂力學分析，計算簡便，但不能反映實際結構的真實受力狀態[4-6].

文中同時考慮橋梁整體結構分析和局部損傷細節，采用ANSYS軟件建立了同時包含細部開裂損傷的實體單元節點和梁單元的簡支鋼桁架橋全橋整體仿真模型，在此模型基礎上模擬常見的各裂紋加固措施并通過斷裂強度因子、裂紋擴展速率等斷裂參量分析這些措施的止裂效果.

1 含螺栓孔邊裂紋的鋼桁架橋模型

實橋檢測表明運營期鋼桁架橋由于超載和振動常常出現很多疲勞裂紋，多分布在縱梁與橫梁的連接處或受活載拉應力較大的腹桿處.多座老鋼橋的病害檢測結果表明，疲勞裂紋最易出現的位置是距離支座最近的第一根豎腹桿的最上一排螺栓孔邊.這里采用ANSYS軟件進行鋼桁架橋精細斷裂力學分析，建立一個端部第一根豎腹桿螺拴孔邊裂紋的簡支桁架模型.基本工作內容包括[7]：

1) 采用BEAM4三維空間梁單元建立全桁架模型，分析得到疲勞應力較大的構件.結合國內外研究資料和裂紋檢測結果，選擇最易出現疲勞裂紋的構件及其對應開裂位置作為細部研究對象.所研究的桁架橋梁模型及各構件字母編號見圖1(圖上也標識出了細部研究對象位置)，其中外側上弦節點編號為B1～B5，內側下弦節點編號為H0′～H6′.

圖1 鋼桁架橋模型與細部研究對象

2) 把裂紋出現處及其鄰近部位從梁單元結構中分離出來，用實體單元模擬裂紋擴展細部，并將它與系統其他桿件的梁單元耦合，建立整體與局部統一的裂紋擴展分析模型，見圖2.該豎腹桿為三板焊接的工字截面，整個節點構造作為細部研究對象進行實體單元模擬，建立分析裂紋尖端斷裂力學規律的細部損傷模型.

3) 裂紋所在構件與其他細部構件的仿真連接.用實體單元建立高強螺栓來連接開裂構件和節點板，螺栓與板面、構件與節點板面之間建立接觸單元實現仿真連接.整個節點采用實體單元，實體部分的橫梁、下弦、下平聯、豎桿與橋梁對應相連的其他Beam4梁單元采用耦合連接.

4) 為減少網格重劃分的計算量，將開裂構件劃分為裂紋擴展區和非裂紋擴展區，只對裂紋擴展局部區域的單元進行網格加密處理，裂尖區域進行奇異單元精細劃分，見圖3.

圖2 精細分析的節點模型

圖3 裂紋尖端區域奇異單元網格劃分

2 裂尖應力強度因子和J積分

2.1 應力強度因子K

Reissner給出的考慮剪切變形影響的裂紋尖端應力場為

(2)

(3)

(4)

圖4 裂紋端部坐標及應力

文獻[7]提出在循環載荷作用下裂紋尖端處的應力強度因子的變化幅度是控制構件疲勞裂紋擴展速度的基本參量.裂紋尖端的各應力分量與公式中應力強度因子Ki成正比.

2.2 J積分

J積分是一種用離裂紋尖端足夠遠處的積分路徑代替裂紋尖端區附近的路徑來表征裂紋頂端應力-應變場的方法.Rice應用小應變塑性形變理論推得的J積分表達式為

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3 止裂措施模擬及其斷裂力學參量分析

對疲勞裂紋進行防控的措施包括在疲勞裂紋尖端鉆止裂孔、在節點板與豎桿之間添加連接板、添加鋼結構桿件改善豎桿結構的受力、使用抗疲勞性能較好的鋼材進行橋梁的建設或通過某些特定措施改善鋼材的抗疲勞性能、降低橋梁的服務等級以減少車輛荷載對裂紋的影響,以及對橋梁鋼構件進行及時的檢查與養護等.這里對鉆止裂孔、添加連接板及添加桿件這三種措施使用ANSYS軟件來建立三維有限元實體仿真模型，通過計算各加固措施下裂尖應力強度因子R，J積分及一次應力循環帶來的裂紋擴展值的計算對這三種方案的止裂效果進行分析和比較.

3.1 止裂孔

在含裂紋吊桿模型中的裂紋尖端建立一個直徑為0.5 mm的止裂孔得到含止裂孔的連接體模型，見圖5.

圖5 止裂孔模型細部圖

模型建立完成后進行網格劃分，再將其與整橋模型耦合.橋梁兩端約束條件不變，在橫梁上翼板上所施加的荷載工況也與之前相同.計算有止裂孔時裂紋尖端的應力強度因子K,J積分和裂紋擴展速率a，與沒加止裂孔的相應值進行比較，得到的結果見表1.

表1 鉆孔止裂前后的斷裂參量比較

對比未采取任何止裂措施的開裂體模型，鉆取止裂孔后模型裂紋的J積分等參數都大幅下降，其中J積分數值比原模型減小了53.67%，應力強度因子K減小了31.93%，一次應力循環后裂紋擴展值a減小了68.46%，表明鉆取止裂孔后裂紋附近的應力集中程度有了明顯減小，通過鉆止裂孔這種方法來防治疲勞裂紋開展的止裂措施具有較好效果.

3.2 添加節點連接板

使用四塊鋼板分別與豎桿的兩塊翼板及弦桿相連，以達到加強翼板與弦桿之間的聯系，改善豎桿與節點板連接處受力的目的.加固后的連接體模型見圖6.與沒加止裂孔的相應值進行比較，得到的結果見表2.

圖6 節點處添加局部連接板示意圖

分項原橋模型添加連接板后減小量/%J積分/(N·mm)1.18×10-59.14×10-622.67k/(Pamm)1575.121385.0812.07a/mm2.47×10-21.68×10-232.00

對比未采取任何止裂措施的連接體模型，在連接體模型的弦桿與豎桿之間添加連接板之后，模型裂紋的J積分等斷裂力學參數都有所下降，其中J積分數值比原模型減小了22.67%，應力強度因子K減小了12.07%，一次應力循環裂紋擴展值a減小了32.00%，表明在弦桿與豎桿之間添加連接板后，裂紋附近的應力集中程度有所減小，通過添加連接板這種方法來防治疲勞裂紋開展能取得較好的止裂效果.

3.3 在開裂節點處增加小斜桿

在開裂節點斜桿與下弦桿之間添加二分小斜桿，可將遠端結構傳力更均勻地分散給其他桿件，從而減輕開裂節點板所受到的外力.整橋模型見圖7.

圖7 開裂節點處增加小斜桿改善受力

為了驗證改善橋梁受力結構對止裂效果的影響，把連接節點模型耦合入加有小斜桿的橋體模型，計算裂紋尖端的J積分、應力強度因子，以及一次應力循環裂紋擴展值，得到的結果見表3.

表3 止裂效果分析表

對比原橋模型，改善橋梁整體受力結構后模型裂紋的J積分等參數都出現了一定的下降，其中J積分數值比原模型減小了29.08%，應力強度因子K減小了19.03%，一次應力循環裂紋擴展值a減小了46.91%.這些計算結果表明改善橋梁的受力結構后，裂紋附近的應力集中程度減小，裂紋擴展速率減少，通過增加小斜桿這種方法來防治疲勞裂紋開展能獲得較好的止裂效果.

4 結 束 語

文中使用的這三種內部止裂措施均有較好的止裂效果.裂紋擴展參數計算表明最有效的短期止裂措施是在裂紋尖端鉆取止裂孔，此方法通過修改幾何突變形態為圓弧截面能顯著消除應力集中，大幅度減少裂紋擴展速度，同條件下減小裂紋擴展量達68%；其次是通過改善增加開裂構件的并行受力構件分擔其結構受力來對裂紋開展進行防控，裂紋擴展量可減少46%；而在弦桿和豎桿間添加局部連接板的止裂效果會略差，但同工況下裂紋擴展量也可減少32%.

實際工程應用中采取單一的止裂措施一般不能對疲勞裂紋的開展產生長久的限制，最可靠的做法是將內部與外部止裂措施相結合.在設計橋梁結構時對結構進行優化，減小螺栓連接處的疲勞應力幅，同時在結構薄弱處選用疲勞性能較好的鋼材.最重要的是在橋梁服務期間要對橋梁定期進行檢查，及時發現橋梁結構上所產生的疲勞裂紋并進行跟蹤監測和防控處理.