鋼橋面板橫隔板交叉細節(jié)疲勞性能分析

摘要：鋼橋面板疲勞性能是鋼橋全壽命周期的關(guān)鍵控制因素，而橫隔板交叉細節(jié)是鋼橋面板的典型構(gòu)造細節(jié)，該細節(jié)疲勞裂紋占比高、危害突出。文章為研究橫隔板交叉細節(jié)的疲勞性能，借助有限元分析軟件，分別建立了不考慮鋪裝層和考慮鋪裝層兩類有限元模型，得到了該細節(jié)疲勞應(yīng)力歷程曲線。結(jié)果表明：橫隔板交叉細節(jié)受力復(fù)雜，主要受主拉應(yīng)力作用；考慮鋪裝層作用后，圍焊處疲勞應(yīng)力幅降低不明顯，建議橫隔板交叉細節(jié)在進行抗疲勞設(shè)計時不計鋪裝層與鋼橋面板的聯(lián)合作用。

關(guān)鍵詞：鋼橋面板；橫隔板交叉細節(jié)；有限元；鋪裝層；疲勞應(yīng)力歷程

0引言

傳統(tǒng)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)大跨度橋梁的需要，隨著大跨度橋梁需求增加，鋼橋的運用越來越多，尤其是大跨斜拉橋和懸索橋。鋼橋主梁大多采用鋼箱梁形式，橋面板為正交異性鋼橋面板（后簡稱鋼橋面板）。鋼橋面板制造工藝相對成熟穩(wěn)定，工廠化生產(chǎn)，生產(chǎn)速度快，焊縫檢測手段先進，板單元焊接質(zhì)量能夠得到保障，承載能力高，質(zhì)量相對輕盈，能夠滿足工業(yè)化建造需要。

隨著公路運輸重車比例的不斷提高，按照規(guī)范標準疲勞車設(shè)計的疲勞細節(jié)已經(jīng)不能滿足全生命周期的需要。抗疲勞設(shè)計在改造焊接接頭的同時應(yīng)重點關(guān)注實橋交通量需求，應(yīng)考慮全生命周期內(nèi)交通量的變化，確保疲勞細節(jié)損傷度合理可行。經(jīng)調(diào)研［1］，鋼橋面板疲勞細節(jié)多種多樣，較為關(guān)鍵的疲勞細節(jié)包括兩類：縱肋頂板連接細節(jié)和橫隔板交叉細節(jié)，其中橫隔板交叉細節(jié)裂紋占比較高，約為全橋裂紋的38.2%。相關(guān)學者對該細節(jié)開展了一系列研究：馬宇平［2］基于響應(yīng)面法對港珠澳大橋鋼橋面板典型疲勞細節(jié)進行了有限元仿真分析；楊威［3］探討了橫隔板交叉細節(jié)模型分析尺度并得到了優(yōu)化后的簡化疲勞試驗?zāi)Ｐ停徊芬恢龋?］基于武漢青山長江大橋試驗?zāi)Ｐ停治隽素灤┬推诹鸭y加固技術(shù)及其適宜加固時機；崔闖等［5］基于熱點應(yīng)力分析方法對橫隔板交叉細節(jié)疲勞壽命進行了評估；張清華等［6］基于鋼橋面板多疲勞失效模型的特點，采用損傷度相容理論建立了抗疲勞設(shè)計方法。目前關(guān)于鋼橋面板疲勞性能相關(guān)研究涉及眾多分析方法，研究角度、分析重點不一致，大多基于開裂后的分析，相對缺少疲勞性能影響因素的基礎(chǔ)性研究，且研究文獻大多忽略了鋪裝層對疲勞應(yīng)力的擴散作用，可能導(dǎo)致設(shè)計趨于保守，橋梁造價偏高。本文選取了疲勞節(jié)段有限元分析模型，得到了橫隔板交叉細節(jié)應(yīng)力特征，在此基礎(chǔ)上分別考慮無鋪裝層和有鋪裝層兩種情形，對橫隔板交叉細節(jié)疲勞性能進行了對比研究，以提高鋼橋設(shè)計人員對疲勞裂紋問題的認識。

1 橫隔板交叉細節(jié)

橫隔板交叉細節(jié)位于鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉位置，縱肋通過橫隔板時，縱肋底部橫隔板一般采用弧形開孔形式以確保縱肋連續(xù)通過，橫隔板與縱肋采用角焊縫連接，圍焊處受空間限制一般采用手工焊。當橋面車輛通過時，橫隔板交叉細節(jié)受彎扭作用，受力較為復(fù)雜，圍焊處角焊縫焊趾疲勞應(yīng)力較大，易產(chǎn)生疲勞裂紋。橫隔板交叉細節(jié)典型疲勞裂紋為裂紋萌生于圍焊焊趾沿縱肋厚度方向斜向上擴展，沿橫隔板開裂的疲勞裂紋占比少，目前研究主要針對典型疲勞裂紋而開展。橫隔板交叉細節(jié)及其典型疲勞裂紋如圖1所示。

2 工程案例

本文以某斜拉橋鋼箱梁橋面板為研究對象，由于疲勞效應(yīng)表現(xiàn)為局部問題，選擇一定范圍的節(jié)段足尺模型能夠滿足鋼橋面板疲勞細節(jié)分析的需要。結(jié)合橫隔板交叉細節(jié)受力特征，橫橋向取2 100 mm，縱橋向取5 000 mm，包含3個橫隔板、3條縱肋，橫隔板間距為2 000 mm。主要板件厚度為：頂板16 mm，縱肋8 mm，橫隔板14 mm；縱肋上下口寬度分別為300 mm和180 mm，高度為280 mm；橫隔板交叉細節(jié)角焊縫焊腳尺寸為8 mm；關(guān)鍵位置位于中間橫隔板、中間縱肋一側(cè)交叉細節(jié)圍焊處。節(jié)段模型橫斷面如圖2所示。

該橋橋面鋪裝采用50 mm厚度的環(huán)氧瀝青混凝土材料，該材料力學性質(zhì)隨季節(jié)不同有所差異，在夏季時，瀝青彈性模量較低，此時對于疲勞應(yīng)力較為不利，取夏季鋪裝層與無鋪裝兩種情形進行對比分析，其中鋪裝層材料彈性模量取500 MPa，泊松比取0.25［7］；橋面板材料為Q345qD，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3。目前關(guān)于疲勞荷載的選取主要有兩種，分別為國內(nèi)規(guī)范疲勞車和歐規(guī)疲勞車。對這兩種荷載而言，歐規(guī)疲勞車輪載面積為正方形［8］，疲勞效應(yīng)更為集中，故此處選取歐規(guī)疲勞車進行加載分析。標準疲勞車如圖3所示。

由于疲勞車橫橋向輪距為2 000 mm，超過橫隔板交叉細節(jié)應(yīng)力影響范圍，故取單側(cè)前后輪進行加載分析。經(jīng)試算，橫橋向可取圖2所示典型加載工況，即輪載中心位于縱肋腹板頂部正上方位置，縱橋向按照100 mm步長移動加載。由于模型對稱，僅在一跨范圍內(nèi)加載，總加載步數(shù)為21步。

3 有限元模型

基于ANSYS軟件，分別建立2跨3縱肋不考慮鋪裝層和考慮鋪裝層的有限元分析模型。基于Solid95單元，采用子模型技術(shù)細化關(guān)注位置單元網(wǎng)格，其余區(qū)域采用Solid45單元。鋪裝層與頂板之間不考慮層間滑移，其有限元模型如圖4所示。

子模型約束條件按照整體模型公共邊界位移相同控制。整體模型約束條件為：對模型底板約束豎向位移；對模型橫橋向兩側(cè)約束頂板和橫隔板橫向位移；對模型縱橋向一側(cè)約束頂板和縱肋位移，保證橋面板縱橋向能夠自由變形以滿足實橋約束情況。為便于分析，取單個輪載進行加載，前后輪疊加應(yīng)力通過單個輪載影響線線性疊加得到。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 疲勞代表應(yīng)力

鋼橋面板橫隔板交叉細節(jié)受力情況不同于縱肋頂板連接細節(jié)。在輪載作用下，縱肋頂板連接細節(jié)以主壓應(yīng)力為主，橫隔板交叉細節(jié)應(yīng)力復(fù)雜，彎扭應(yīng)力共同作用可能造成主拉應(yīng)力為疲勞代表應(yīng)力。以不考慮鋪裝層有限元模型為分析對象，分別提取單個輪載位于橫隔板正上方和一側(cè)跨中時子模型第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布情況，如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6可知，橫隔板交叉細節(jié)第一主應(yīng)力最大值位于圍焊焊趾處，就輪載作用位置而言，橫隔板面外輪載疲勞應(yīng)力相對較大，以主拉應(yīng)力作為橫隔板交叉細節(jié)典型疲勞裂紋的疲勞代表應(yīng)力。

4.2 對比分析

基于以上分析結(jié)果，分別提取不考慮鋪裝層和考慮鋪裝層作用的橫隔板交叉細節(jié)主拉應(yīng)力，通過線性疊加原理得到前后輪作用下的疲勞應(yīng)力歷程曲線如圖7所示，其中橫坐標為前后輪中心點所處位置，坐標0點為前后輪中心點位于中間橫隔板的正上方位置。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：橫隔板交叉細節(jié)疲勞應(yīng)力主要受相鄰跨輪載作用，除輪載中心位于距離橫隔板900 mm附近時疲勞應(yīng)力發(fā)生波動外，輪載越靠近橫隔板，交叉細節(jié)疲勞應(yīng)力數(shù)值越大。不考慮鋪裝層和考慮鋪裝層作用兩種情形下，橫隔板交叉細節(jié)疲勞應(yīng)力幅分別為109.1 MPa和102.1 MPa，數(shù)值相對誤差為6.4%，二者差別較小。因此，鋼橋面板橫隔板交叉細節(jié)在進行抗疲勞設(shè)計時可以忽略鋪裝層對疲勞性能的影響。

5 結(jié)語

本文基于ANSYS軟件，對鋼橋面板橫隔板交叉細節(jié)典型疲勞裂紋下的疲勞應(yīng)力進行了計算分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）橫隔板交叉細節(jié)圍焊處應(yīng)力復(fù)雜，主要受主拉應(yīng)力控制，且橫隔板面內(nèi)輪載疲勞效應(yīng)小于面外輪載。

（2）鋪裝層材料對橫隔板交叉細節(jié)疲勞應(yīng)力幅具有一定的削弱作用，但整體而言，疲勞應(yīng)力幅降低有限。對于橫隔板交叉細節(jié)而言，綜合考慮疲勞應(yīng)力和工程造價因素，建議疲勞性能評估及開裂后加固研究均可不計鋪裝層作用。

參考文獻：

［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展［J］.中國公路學報，2017，30（3）：14-30，39.

［2］馬宇平.基于響應(yīng)面法的正交異性鋼橋面板疲勞設(shè)計參數(shù)研究［D］.成都：西南交通大學，2014.

［3］楊 威.鋼橋面板橫隔板面內(nèi)變形疲勞試驗?zāi)Ｐ蛢?yōu)化與裂紋擴展特性分析［J］.廣東公路交通，2021，47（2）：36-39.

［4］卜一之，金 通，李 俊，等.縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細節(jié)穿透型疲勞裂紋擴展特性及其加固方法研究［J］.工程力學，2019，36（6）：211-218.

［5］崔 闖，卜一之，張清華，等.基于熱點應(yīng)力法的正交異性鋼橋面板疲勞壽命評估［J］.橋梁建設(shè)，2014，44（4）：62-67.

［6］張清華，笪樂天，李明哲，等.基于多失效模式損傷度相容的鋼橋面板抗疲勞設(shè)計方法［J］.土木工程學報，2022，55（12）：80-93.

［7］周緒紅，朋 茜，秦鳳江，等.鋼橋面板頂板與縱肋連接焊根位置疲勞損傷特征［J］.交通運輸工程學報，2018，18（1）：1-12.

［8］EN 1993 Eurocode 3，Design of Steel Structures ［S］.

作者簡介：韋小雙（1987—），工程師，主要從事高速公路工程建設(shè)工作。