鋼橋面板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)疲勞失效模式研究

吳 波

（中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川 成都610081）

0 引言

正交異性鋼橋面板由三個不同方向的板件通過焊接連接而形成，具有自重輕、承載能力突出等優(yōu)勢。作為21世紀大跨度橋梁中廣泛應(yīng)用的橋面板形式，其靜力特性、制造工藝和疲勞損傷等方面也被越來越多的學者進行研究，其中疲勞損傷問題是鋼橋面板最為關(guān)鍵的問題。近年來，由于車流量增大，重車比例增多的趨勢更加顯著，鋼橋面板眾多構(gòu)造細節(jié)往往在尚未到達設(shè)計使用年限前出現(xiàn)一系列疲勞裂紋，對于鋼橋面板-肋焊接細節(jié)而言，隨著疲勞損傷逐漸累積，裂紋將裂穿頂板導(dǎo)致U肋銹蝕，威脅結(jié)構(gòu)行車安全[1-2]。

近年來，國內(nèi)橋梁建設(shè)中陸續(xù)采用U肋內(nèi)焊技術(shù)，形成鋼橋面板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)以期提高疲勞抗力，羅鵬軍等[3]和張清華等[4]分別從切口應(yīng)力法和模型試驗法角度證明了板-肋雙面焊構(gòu)造能夠改善傳統(tǒng)單面焊的疲勞抗力。然而，獲取鋼橋面板典型構(gòu)造細節(jié)疲勞失效模式力學特征是認識該細節(jié)疲勞性能的基礎(chǔ)，目前關(guān)于鋼橋面板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)的相關(guān)研究依然有待更為系統(tǒng)的提升與完善。斷裂力學分析方法作為一種最為直接有效的手段是探究該細節(jié)疲勞特性的重要工具，本文基于線彈性斷裂力學原理，在鋼橋面板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)裂紋萌生點處引入初始裂紋，采用ABAQUS有限元軟件建立包含裂紋體的有限元模型，通過分析裂紋潛在的擴展能力，從而確定該細節(jié)各疲勞失效模式的疲勞性能，在此基礎(chǔ)上確定主導(dǎo)疲勞失效模式。

1 研究對象

鋼橋面板板-肋構(gòu)造細節(jié)根據(jù)所處位置分為橫隔板節(jié)間內(nèi)（RD細節(jié)）和橫隔板位置處（RDF細節(jié)）兩類[5]。目前研究中，橫隔板節(jié)間內(nèi)疲勞裂紋是主要研究熱點，且其實橋中疲勞開裂占比較大。此處主要以橫隔板節(jié)間內(nèi)的板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)為研究對象，其中全熔透雙面焊技術(shù)由于焊接工藝難以保證，分析時以工程中常見的外側(cè)75%熔透的部分熔透焊為研究對象，該細節(jié)共包含8種疲勞失效模式，鋼橋面板構(gòu)造細節(jié)分類與雙面焊疲勞失效模式見圖1。

圖1 鋼橋面板構(gòu)造細節(jié)分類與雙面焊疲勞失效模式

2 節(jié)段模型選取和有限元模型建立

2.1 疲勞節(jié)段模型尺寸

以某斜拉橋工程鋼橋面板為分析對象，為反映模型實橋受力狀態(tài)，參考相關(guān)研究文獻[3]，縱向選取三跨，即4個橫隔板間距（橫隔板間距為2.5 m）、橫向選取5個U肋作為疲勞節(jié)段模型進行分析，主要板件厚度為：頂板厚18 mm，橫隔板厚14 mm，U肋尺寸300 mm×300 mm×8 mm（上開口寬×高×板厚）,U肋橫向間距為600 mm，考慮到對稱性，關(guān)注位置取第2跨跨中中間U肋與頂板相交處，所選取的疲勞節(jié)段模型與板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)尺寸見圖2，圖2中參數(shù)α和β分別為50°和130°。

圖2 疲勞節(jié)段模型和板-肋雙面焊相關(guān)尺寸（單位：mm）

2.2 初始焊接缺陷和加載工況

相關(guān)研究文獻表明面狀缺陷相比于體缺陷更為不利，為真實反映焊接工藝所引起的初始焊接缺陷的影響，參考文獻[6]，選取初始裂紋形式為半圓形裂紋，初始裂紋深度a0與1/2裂紋長度c0均為0.5 mm，節(jié)段模型疲勞車輪荷載采用歐規(guī)（Eurocode 3）標準疲勞車輛荷載模型Ⅲ形式（單車模型）[7]，單輪輪載面積為400 mm×400 mm，軸重為120 kN，考慮3倍超載影響，選取的受力較為不利加載位置為單側(cè)前后輪對稱作用于第二跨板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)跨中關(guān)注位置處。

2.3 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件建立了適合本文疲勞失效模式分析的有限元模型，見圖3。

圖3 有限元模型

建模過程如下：先建立三跨5U肋疲勞節(jié)段有限元模型，模型橫隔板底部區(qū)域200 mm×300 mm（橫向×縱向）進行X向、Y向和Z向位移約束，以模擬實際橫隔板遠離約束部分處于彈性支承狀態(tài)。然后跨中加載區(qū)域中間位置橫向取150 mm，縱向取400 mm，豎向取U肋高度作為裂紋擴展有限元子模型，并對板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)焊縫區(qū)域進行網(wǎng)格細化，焊縫區(qū)域網(wǎng)格尺寸控制在3 mm內(nèi)，以確保分析結(jié)果的準確性。疲勞節(jié)段有限元模型實體單元為C3D8R，裂紋擴展子模型實體單位為C3D20R，偏安全考慮，不計鋪裝層對輪載的擴散作用。

3 各疲勞失效模式結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力強度因子

應(yīng)力強度因子反映了裂紋的擴展能力，其數(shù)值越大，裂紋擴展越快。基于線彈性斷裂力學原理，采用相互作用積分方法裂尖Ⅰ型（張開型）、Ⅱ型（滑開型）和Ⅲ型（撕開型）應(yīng)力強度因子，參考文獻[6]，等效應(yīng)力強度因子幅值ΔKeff可由I型應(yīng)力強度因子幅值ΔKⅠ、Ⅱ型應(yīng)力強度因子幅值ΔKⅡ和Ⅲ型應(yīng)力強度因子幅值ΔKⅢ通過式（1）計算得到。

當?shù)刃?yīng)力強度因子幅值達到擴展閾值ΔKth（ΔKth=63 N·mm-3/2）時裂紋開始擴展，其數(shù)值越大擴展能力越強。

3.2 疲勞失效模式分析

相關(guān)文獻研究表明焊縫熔透率達到75%可避免沿焊縫擴展的疲勞裂紋[1]，即圖1中的模式Ⅴ和模式Ⅷ，本次疲勞失效模式分析主要針對沿頂板開裂的模式Ⅰ到模式Ⅳ，及沿U肋開裂的模式Ⅵ和模式Ⅶ。

將初始焊接缺陷引入到各疲勞失效模式裂紋萌生點處，以模式Ⅰ為例，裂紋位置示意見圖4。

圖4 模式Ⅰ裂紋位置示意圖

通過有限元數(shù)值計算，提取各失效模式裂紋前緣點等效應(yīng)力強度因子幅值，將裂尖前緣路徑按照從0到1進行劃分，計算結(jié)果見圖5。

圖5 等效應(yīng)力強度因子幅值變化曲線

由圖5得到：（1）失效模式Ⅰ和失效模式Ⅳ等效應(yīng)力強度因子幅值達到擴展閾值，裂紋具有擴展能力；（2）板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)焊根部位在本文所選取的初始焊接缺陷下不會引起構(gòu)造細節(jié)疲勞開裂，該部位不是焊接質(zhì)量控制的重點；（3）沿U肋厚度方向開裂的疲勞失效模式能夠承受實橋3倍的超載影響，其擴展能力低于沿頂板厚度方向開裂的疲勞失效模式。

當疲勞荷載較大時，由本文計算結(jié)果來看，沿頂板開裂的失效模式I更容易產(chǎn)生疲勞裂紋，國內(nèi)研究者通過對深中通道鋼橋面板雙面焊構(gòu)造細節(jié)足尺模型試驗，獲得了該失效模式的疲勞裂紋[8]，見圖6。

圖6 文獻[8]圖片

由于沿頂板厚度方向開裂的疲勞失效模式Ⅰ和失效模式Ⅳ初始裂紋前緣等效應(yīng)力強度因子幅值數(shù)值較為接近，并且均具有擴展能力，此處以裂紋擴展至板厚1/2（即9 mm）為疲勞失效判據(jù)，裂紋擴展步長控制在0.4 mm左右，得到兩種疲勞失效模式的等效應(yīng)力強度因子幅值隨裂紋深度方向的變化曲線見圖7。

圖7 模式Ⅰ和模式Ⅳ等效應(yīng)力強度因子幅值對比

計算結(jié)果表明：（1）疲勞失效模式Ⅰ和失效模式Ⅳ在達到9 mm前，二者擴展速率始終不斷增大，隨裂紋深度增加，擴展速率的變化率逐漸減小，在達到9 mm時兩者擴展速率有達到最大值的趨勢；（2）在本文加載工況下，模式Ⅰ為板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)主導(dǎo)疲勞失效模式，其擴展速率始終大于模式Ⅳ；（3）兩種疲勞失效模式在擴展過程中，由于等效應(yīng)力強度因子幅值較大于其擴展閾值，表明裂紋整體均具有較強的擴展能力，在焊接過程中應(yīng)避免頂板焊趾處引入夾雜等缺陷，從源頭控制裂紋的發(fā)生。

4 結(jié)論

本文基于線彈性斷裂力學基本理論，采用ABAQUS有限元軟件，建立了包含裂紋體的鋼橋面板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)的數(shù)值有限元分析模型，在本文節(jié)段模型尺寸條件下主要得到以下結(jié)論：

（1）采用ABAQUS有限元軟件，實現(xiàn)了疲勞裂紋擴展數(shù)值模擬。

（2）分析了板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)各疲勞失效模式等效應(yīng)力強度因子幅值水平，闡明了較為容易發(fā)生疲勞裂紋的失效模式。

（3）在本文加載工況下，確定了疲勞失效模式Ⅰ為板-肋雙面焊構(gòu)造細節(jié)的主導(dǎo)疲勞失效模式。