橫隔板間距對正交異性鋼橋面板疲勞應(yīng)力的影響研究

伍曉偉　孔凱歌

摘要：文章以節(jié)段足尺模型為分析對象，基于ANSYS有限元軟件，對實(shí)橋中應(yīng)用較廣的2 m、2.5 m和3 m三種橫隔板間距對正交異性鋼橋面板疲勞應(yīng)力的影響進(jìn)行研究，得到了相應(yīng)的鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)的縱向疲勞應(yīng)力歷程曲線。研究結(jié)果表明，縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力受主壓應(yīng)力控制，橫隔板間距為3 m時(shí)疲勞應(yīng)力幅相對較小，其疲勞性能較好。

關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板;有限元軟件;縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié);疲勞性能

中圖分類號：U443.33

0 引言

正交異性鋼橋面板具有自重輕、承載力高的力學(xué)特點(diǎn)，適合于自動(dòng)化和智能化制造。在目前橋梁建設(shè)中，尤其是大跨徑橋梁中，鋼橋面板得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋼橋面板在具有突出力學(xué)優(yōu)勢的同時(shí)，也表現(xiàn)出嚴(yán)重的疲勞特點(diǎn)，其主要原因在于：橫隔板、頂板與縱肋三者相互焊接，幾何構(gòu)型不連續(xù)造成輪載作用下應(yīng)力集中嚴(yán)重，形成了一些疲勞易損細(xì)節(jié)。相關(guān)文獻(xiàn)資料表明[1]，鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)所產(chǎn)生的疲勞開裂占鋼橋面板所有開裂情況的30.2%，且此疲勞易損細(xì)節(jié)開裂模式為裂紋萌生于焊根，沿頂板厚度方向擴(kuò)展，在疲勞裂紋未完全貫穿頂板之前，檢測難度大，且難以采取有針對性的加固措施，因此縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)是鋼橋面板危害最為嚴(yán)重的疲勞易損細(xì)節(jié)[2-3]。

縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力主要由鋼橋面板結(jié)構(gòu)尺寸所決定，其中橫隔板間距是重要的影響因素之一。本文基于ANSYS有限元軟件，分析了實(shí)橋中常見的橫隔板間距分別為2 m、2.5 m和3 m的縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力。通過本次對比研究，有利于設(shè)計(jì)者提高對鋼箱梁疲勞應(yīng)力的認(rèn)識及正確把握橫隔板間距的選取。

1 疲勞節(jié)段模型

本文以國內(nèi)某斜拉橋鋼箱梁為工程案例，其鋼箱梁縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)采用單面焊焊接工藝。為方便理解，圖1所示為單個(gè)縱肋的鋼橋面板示意圖，以說明鋼橋面板縱肋與頂板單面焊疲勞易損細(xì)節(jié)所在位置。

結(jié)合相關(guān)研究資料[1]，鋼橋面板疲勞易損細(xì)節(jié)所產(chǎn)生的疲勞問題屬于局部問題，橫向可取5個(gè)縱肋，縱向取4個(gè)橫隔板的節(jié)段足尺模型就能夠反映縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)的疲勞特性。此處按照上述原則選取疲勞節(jié)段足尺模型，主要尺寸參數(shù)如下：橫隔板間距為L，L取2 000 mm、2 500 mm和3 000 mm，縱肋懸臂端長度為500 mm，縱肋尺寸為300 mm×300 mm×8 mm（高×上部開口寬×厚），頂板厚度為16 mm，橫隔板厚度為14 mm，取關(guān)注位置位于第二跨跨中中間縱肋處。疲勞節(jié)段模型幾何尺寸和關(guān)注位置如圖2所示。鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)主要尺寸為：頂板焊腳尺寸為12.1 mm，焊根未熔透高度為1 mm，焊縫縱肋處焊趾至頂板底面高度為9.2 mm，焊縫角度α和β分別為50°和130°。根據(jù)實(shí)橋統(tǒng)計(jì)結(jié)果，鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)主導(dǎo)疲勞失效模式為焊縫萌生于焊根沿頂板厚度方向擴(kuò)展，焊縫參數(shù)和主導(dǎo)疲勞失效模式如圖3所示。

2 有限元模型

2.1 邊界條件及荷載

為了反映圖2所選取的疲勞節(jié)段足尺模型在鋼箱梁中的約束情況，根據(jù)實(shí)際變形特點(diǎn)，模型橫向?qū)蓚?cè)頂板進(jìn)行約束，縱向?qū)σ粋?cè)懸臂端部頂板與縱肋進(jìn)行約束，模型豎向?qū)?個(gè)隔板底部進(jìn)行約束，以確保疲勞節(jié)段足尺模型能夠縱向變形。此處所施加的荷載選取為歐洲規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載模型[4]，橫向輪距為2.0 m，縱向最小輪距為1.2 m。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[3]，疲勞應(yīng)力受單側(cè)相鄰的最小輪距的影響，疲勞應(yīng)力不受橫向2.0 m輪距的影響，因此，實(shí)際加載時(shí)，選取單側(cè)相鄰的兩個(gè)輪進(jìn)行加載，所選取的輪載如圖4所示，其中w為歐洲規(guī)范中疲勞車輪廓寬度。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，確定模型橫向加載位置，即騎縱肋加載形式。就該形式下鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力較為不利，同時(shí)該橫向加載位置也為鋼橋面板典型疲勞加載工況。縱向加載考慮到第一跨和第三跨對中跨的卸載作用，加載時(shí)縱向采用三跨范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)加載，以獲得縱向疲勞應(yīng)力歷程曲線。

2.2 有限元模型

基于ANSYS有限元軟件，對所選取的疲勞節(jié)段足尺模型進(jìn)行離散化，跨中關(guān)注位置采用solid95二次實(shí)體單元，其余位置采用solid45實(shí)體單元。對跨中關(guān)注位置有限元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格尺寸控制在4 mm以內(nèi)，以提高計(jì)算精度。模型網(wǎng)格整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式，其中頂板橫向關(guān)注位置至非關(guān)注位置區(qū)域采用過渡網(wǎng)格形式，以提高計(jì)算精度和效率。有限元模型如下頁圖5所示。

3 結(jié)果分析

通過ANSYS有限元軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，可以很方便地得到橫隔板間距分別為2 m、2.5 m和3 m的三種有限元模型。主應(yīng)力是衡量鋼橋面板疲勞應(yīng)力的重要指標(biāo)，此處通過提取第一至第三主應(yīng)力，有利于設(shè)計(jì)人員加深對鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)疲勞特性的認(rèn)識。模型縱向加載時(shí)，取縱向移動(dòng)步長為100 mm，由于結(jié)構(gòu)對稱，且雙輪作用下的疲勞應(yīng)力可通過單輪應(yīng)力進(jìn)行影響線疊加得到，因此，為便于分析，加載時(shí)采用單輪進(jìn)行加載。三種橫隔板下加載步數(shù)分別為：橫隔板間距為2 m時(shí)，加載步長為31荷載步;橫隔板間距為2.5 m時(shí)，加載步長為39荷載步;橫隔板間距為3 m時(shí)，加載步長為46荷載步。通過提取計(jì)算結(jié)果，得到三種橫隔板間距下的疲勞主應(yīng)力曲線如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果表明：（1）橫隔板間距對鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力影響較大。就第一主應(yīng)力至第三主應(yīng)力變化曲線而言，主壓應(yīng)力水平較大，因此該疲勞易損細(xì)節(jié)在歐規(guī)疲勞車作用下，受力以主壓應(yīng)力為主。

（2）從鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)縱向疲勞應(yīng)力歷程曲線可知，橫隔板間距為2 m、2.5 m和3.0 m的疲勞主壓應(yīng)力幅分別為55.3 MPa、52.4 MPa和45.9 MPa。由于該細(xì)節(jié)具有峰值較大的焊接殘拉應(yīng)力[1]，因此，相比較而言，考慮殘余應(yīng)力后，橫隔板間距為3 m時(shí)，疲勞性能較好。

（3）三種橫隔板間距下，疲勞應(yīng)力幅均較低，均滿足歐洲規(guī)范<71 MPa的要求[4]。

4 結(jié)語

（1）基于ANSYS有限元軟件，分別得到了橫隔板間距分別為2 m、2.5 m和3 m的三種鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)縱向疲勞應(yīng)力歷程曲線。

（2）鋼橋面板縱肋與頂板疲勞易損細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力受主壓應(yīng)力幅控制，三種橫隔板間距下疲勞應(yīng)力幅均滿足歐規(guī)要求，且當(dāng)橫隔板間距為3 m時(shí)，疲勞應(yīng)力幅相對較小。

參考文獻(xiàn)

[1]張清華，卜一之，李 喬.正交異性鋼橋面板疲勞問題的研究進(jìn)展[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2017，30（3）： 14-30.

[2]卜一之，金正凱，黃 云，等. 鋼橋面板縱肋頂板焊縫疲勞裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵影響因素[J]. 中國公路學(xué)報(bào)，2019，32（9）： 61-70.

[3]羅鵬軍，張清華，龔代勛，等.鋼橋面板U肋與頂板雙面焊連接疲勞性能研究[J].橋梁建設(shè)，2018，48（2）：19-24.

[4]EN1993-2.Eurocode 3，Design of Steel Structures [S].

作者簡介：

伍曉偉（1992—），碩士，工程師，主要從事道橋設(shè)計(jì)工作;

孔凱歌（1989—），碩士，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。