頂板厚度參數對鋼橋面板- 肋接頭疲勞應力影響分析

周 維，于浩楠

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引 言

由頂板、縱肋和橫隔板等板件相互焊接連接而構成的正交異性鋼橋面板具有自重輕、承載能力高等突出優點，在橋梁建設中得到了廣泛應用。目前，鋼橋面板結構在設計使用年限內基本能夠滿足靜載下設計強度的需要。但是，由于鋼橋面板各構造細節幾何構型不連續，局部輪載下應力集中較為突出，輪載的加、卸載作用造成構造細節出現較高的疲勞應力幅，同時隨著疲勞損傷的不斷累積，致使實橋中出現了一系列疲勞開裂現象。張清華等[1]研究表明：縱肋與橫隔板交叉構造細節和頂板與縱肋構造細節（簡稱為板- 肋接頭）是鋼橋面板最容易產生疲勞裂紋的2 個構造細節，是當前鋼橋疲勞研究的熱點。

板- 肋接頭直接承受局部輪載作用，其焊縫處一旦出現疲勞裂紋，易裂穿頂板，形成貫穿型裂紋，威脅行車安全。同時，裂紋萌生于焊根部位，沿頂板厚度方向擴展的開裂模式將造成縱肋銹蝕，影響結構耐久性。因此，與縱肋與橫隔板交叉構造細節相比，板-肋接頭危害性更為突出。本文以工程中實際應用的鋼橋面板-肋單面焊和雙面焊焊接接頭為研究對象，利用Ansys 有限元軟件，通過對3 跨5 縱肋模型的變形分析，得到了簡化的節段疲勞模型，并在此基礎上，分析了頂板厚度參數對鋼橋面板- 肋接頭疲勞應力的影響。

1 研究對象

正交異性鋼橋面板由多個構造細節組成。經統計分析[1]，板- 肋焊接接頭疲勞開裂比例占所有構造細節疲勞開裂的30.2%。因此鋼橋面板-肋焊接接頭疲勞開裂是鋼橋面板的重要構造細節之一。對于該細節而言，國內外應用較為廣泛的是傳統單面焊焊接接頭。有關學者對該接頭形式研究較多，包括近年來已在武漢沌口長江大橋和湖北石首長江公路大橋得到實際應用的板-肋雙面焊焊接接頭[2]。本文以板-肋單面焊焊接接頭和雙面焊焊接接頭為研究對象，對該細節疲勞應力進行分析。

正交異性鋼橋面板-肋焊接接頭見圖1。雙面焊焊接接頭尺寸參數與文獻[2]一致，單面焊焊接接頭尺寸參數與雙面焊外側焊縫尺寸參數一致，且滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）的相關規定，外側焊縫熔透率取80%。

圖1 正交異性鋼橋面板- 肋焊接接頭

2 簡化節段疲勞有限元模型

2.1 節段幾何模型

鋼橋面板在汽車輪載作用下具有顯著的局部效應，疲勞應力主要由第二體系組成，因此，在進行鋼橋面板疲勞應力分析時，只需建立行車道范圍內的節段模型。對于板-肋焊接接頭而言，有關文獻大多取3 跨7 縱肋或3 跨5 縱肋節段模型進行分析，并未對該模型進行簡化。本文以某斜拉橋鋼橋面板為工程背景，選取3 跨5 縱肋節段幾何模型進行分析，輪載選取歐洲規范（Eurocode 3）[3]（以下簡稱歐規）標準疲勞車進行加載，單輪尺寸為400 mm×400 mm，節段幾何模型尺寸與加載位置見圖2。其中所關注的板- 肋焊接接頭位于第2 跨中間U 肋位置，橫隔板開孔形式采用武漢青山公路大橋開孔形式[4]。

圖2 節段幾何模型尺寸與加載位置（單位：mm）

2.2 簡化節段模型

模型約束按照實際進行考慮，即底板約束豎向位移，以模擬周圍節段的豎向支承作用；頂板橫橋向兩側均約束橫橋向位移，以模擬周圍頂板對所選取的節段模型的橫向約束作用；縱向一端約束頂板和縱肋的縱向位移，另一端不約束，以模擬所選取的節段模型作為主梁一部分，符合縱橋向能夠伸縮變形的特征。本文所選取的標準疲勞車單輪荷載為60 kN。為探究輪載位置對鋼橋面板- 肋焊接接頭疲勞應力的影響，選取2 個工況進行分析。工況1：輪載作用在第2 跨中間縱肋焊接接頭正上方；工況2：輪載作用在第3 跨中間縱肋焊接接頭正上方。

采用Solid45 六面體實體單元對頂板、縱肋、橫隔板和底板進行離散化，并在板- 肋焊接接頭處進行網格加密，得到節段有限元模型。2 種加載工況下，節段有限元模型豎向變形示意見圖3。計算結果表明：（1）輪載作用下鋼橋面板變形具有顯著的局部效應，相鄰跨結構對加載跨具有一定的卸載作用；（2）從變形特征來看，5 縱肋范圍的模型尺度偏大，變形的影響區域主要在加載范圍內的2 條縱肋上，因此可選取3 跨2 縱肋簡化節段模型進行替代。

圖3 2 種加載工況下節段有限元模型豎向變形示意

簡化節段有限元模型橫斷面見圖4，其中模型立面圖與圖2（a）相同。

圖4 簡化節段有限元模型橫斷面圖（單位：mm）

3 計算分析

3.1 簡化節段有限元模型應力特征

根據圖4 中的尺寸參數，所建立的簡化節段有限元模型見圖5。

圖5 簡化節段有限元模型

針對關注位置，分別分析鋼橋面板- 肋單面焊和雙面焊焊接接頭應力特征，2 種接頭網格和關注點位置見圖6。由于單面焊焊根位置為裂紋開裂部位，因此以該位置為關注位置；雙面焊內側焊趾和外側焊趾位置均為裂紋開裂部位，因此以上述2 個位置為關注位置。

圖6 板- 肋焊接接頭網格和應力關注位置

為真實反映關注位置的應力水平，輪載橫向位置為圖4 所示位置，然后縱向沿3 跨縱肋模型進行移動加載。由圖3 可知，歐規疲勞車輪載作用下橋面板變形是局部的，疲勞車橫向輪距為2.0 m，超出局部影響范圍，縱向1.2 m 輪距在影響范圍內，因此采用單側前后輪進行移動加載。該模型頂板厚度為16 mm，分析得到單面焊和雙面焊關注位置應力歷程（見圖7），其中橫坐標指單側前后輪中間位置相對關注位置的縱向距離。

圖7 單面焊和雙面焊板- 肋接頭縱向應力歷程

研究表明：（1）當輪載通過關注位置時，主應力數值達到極值，單面焊焊根處σ3變化較大，即主壓應力幅較大，最大應力幅為51.8 MPa，主壓應力是焊根處的代表應力。雙面焊內側焊趾和外側焊趾處σ3同樣變化較大，分別為41.5 MPa 和55.0 MPa，主壓應力也是雙面焊內側焊趾和外側焊趾處的代表應力。（2）對于本文所選取的雙面焊構造細節而言，外側頂板焊趾更容易開裂，其應力幅與單面焊較為接近。

3.2 頂板厚度參數分析

頂板厚度是鋼橋面板構造設計的重要參數之一，該數值不僅對靜力強度起關鍵作用，重要的是，作為車輪直接作用的板件，其厚度直接影響鋼橋面板- 肋焊接接頭的疲勞性能。行車道區域頂板厚度往往不低于14 mm（《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）），本文結合上述16 mm 鋼橋面板模型，進一步分析了單面焊和雙面焊- 肋焊接接頭14 mm 和18 mm 頂板厚度參數對疲勞應力幅的影響。

不同頂板厚度參數下，鋼橋面板單面焊和雙面焊板- 肋焊接接頭關注應力點的主壓應力歷程見圖8。

圖8 不同頂板厚度下單面焊和雙面焊板- 肋焊接接頭主壓應力歷程

研究表明：（1）頂板厚度為14 mm 時，單面焊焊根處應力幅達到70.8 MPa，雙面焊外側焊趾處應力幅達到77.8 MPa，均接近或超過歐規中疲勞強度（71 MPa）要求[3]，在本文所選取的焊縫尺寸下，該頂板厚度參數不利于工程應用。（2）頂板厚度參數對鋼橋面板單面焊和雙面焊這2 類板- 肋焊接接頭疲勞應力幅的影響均較為明顯。頂板厚度為16 mm 和18 mm 時疲勞應力幅相對較小，其中18 mm 的頂板厚度富裕度較大，建議重載交通橋梁可應用18 mm 的頂板厚度參數，以減小疲勞損傷。

4 結 論

（1）基于Ansys 有限元軟件，通過對鋼橋面板變形特征分析，得到了應用于板- 肋焊接接頭疲勞分析的簡化節段模型。

（2）在歐規疲勞車作用下，鋼橋面板單面焊和雙面焊這2 類板- 肋焊接接頭的主壓應力幅較大，雙面焊外側焊趾主壓應力幅大于內側焊趾。

（3） 頂板厚度對鋼橋面板單面焊和雙面焊這2類板- 肋焊接接頭的主壓應力幅影響較大，頂板厚度為14 mm 時，主壓應力幅接近或超過該細節疲勞強度。設計時應根據交通信息，選擇16 mm 或18 mm的板厚參數進行結構設計。