中外規范下鋼橋面板縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應力對比分析

摘要：縱肋與橫隔板交叉細節是鋼橋面板主要疲勞易損細節之一，該細節萌生于圍焊處沿縱肋腹板斜向發展的疲勞裂紋危害嚴重。文章同時考慮國內、國外兩種典型疲勞車形式，對鋼橋面板縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應力進行對比分析，計算結果可為相似結構提供參考。

關鍵詞：鋼橋面板；縱肋與橫隔板圍焊處；疲勞車；疲勞分析

中圖分類號：U443.32 A 48 169 3

0 引言

鋼橋面板一般由縱肋、橫隔板、頂板三種鋼板利用普通角焊縫、熔透焊焊接而成。目前，隨著工業化、智能化建造技術水平的提升，鋼橋面板制作工藝基本成熟穩定，超聲波探傷、相控陣檢測等手段能夠使焊接質量得到有效保障；加之鋼橋面板承載能力高，力學性能較好，適用于大跨徑連續梁橋、斜拉橋和懸索橋等橋型，因此在大跨度橋梁中得到了廣泛應用，如武漢青山長江大橋、武漢軍山長江大橋和港珠澳大橋等。

鋼橋面板在橋梁建設中大規模應用的同時，由于其各板件相互焊接的內在特性所決定，出現了一系列典型的疲勞易損細節。張清華等［1］研究表明，國內所發現的鋼橋面板疲勞裂紋約有17類，各類疲勞裂紋占比不均，占比最高的為縱肋與橫隔板交叉細節，其開裂約為所有類型開裂總數的38.2%；邱體軍等［2］對比分析了4種典型橫隔板開孔形式力學性能；吳亞坤［3］對新型橫隔板開孔形式焊接殘余應力進行了分析；卜一之等［4］基于縱肋與橫隔板開裂后的試驗模型，利用栓接角鋼裝配式快速加固技術對該細節疲勞裂紋進行加固后分析。以上相關研究加深了設計人員對縱肋與橫隔板交叉細節疲勞開裂的認識，有利于更好地開展鋼橋面板構造設計。

目前對于鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細節的數值模擬或模型試驗，大多基于固定的加載形式而開展，缺少國內外規范下疲勞車荷載的對比分析。本文選取國內規范和歐洲規范兩種典型疲勞車形式，對其作用下的縱肋與橫隔板交叉細節圍焊處疲勞應力進行分析，有助于進一步提高設計人員對鋼橋面板疲勞性能的認識。

1 縱肋與橫隔板交叉細節疲勞開裂路徑

縱肋與橫隔板交叉細節為幾何構型不連續，其受力狀態較為復雜，存在應力集中。經調研文獻［1］可知，縱肋與橫隔板交叉細節共有3種疲勞開裂路徑（見表1和圖1）。

縱肋與橫隔板交叉細節疲勞開裂路徑如圖1所示。

在3種疲勞開裂路徑中，疲勞開裂路徑1所發現的裂紋占比最高，且此處疲勞裂紋開裂后，縱肋厚度僅為8 mm，裂紋容易裂穿縱肋；一旦裂穿，裂紋擴展速率將顯著加快，沿著縱肋橫穿腹板裂至縱肋與頂板焊接細節附近，嚴重威脅行車安全，必須采取加固措施，在裂紋尚未裂至頂板附近時進行加固，加固時機一般為裂紋即將裂至縱肋腹板位置時。本文主要研究危害較為嚴重的疲勞開裂路徑1（即圍焊處）。

2 研究對象幾何尺寸

以國內某跨江通道主梁為工程背景，橋面板采用正交異性鋼橋面板，材料為Q345qD。頂板厚度為18 mm，橫隔板厚度為14 mm，橫隔板間距為3 000 mm；縱肋斷面上下端尺寸分別為300 mm和180 mm，高度為300 mm，厚度為8 mm，縱肋下端內側圓弧半徑為40 mm；橫隔板弧形開口一側由半徑分別為25 mm和73 mm的圓弧相切而組成，開口底端至縱肋底端距離為25 mm，縱肋與橫隔板相交處至縱肋底端距離為64.4 mm。鋼橋面板疲勞易損部位主要受局部輪載作用，橫向取2 100 mm（含3個縱肋），縱向取2跨（含3個橫隔板），縱肋懸臂處各取500 mm，如圖2所示。該幾何尺寸能夠用于鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細節疲勞性能分析［5］。

3 有限元模型

3.1 中外規范疲勞車荷載

國內規范選用《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）［6］，國外規范選用歐洲規范Eurocode 3［7］，兩種規范標準下的疲勞車空間位置信息及前后輪集中荷載大小完全相同，其中單輪集中荷載均為60 kN，僅區別于輪載尺寸，兩種規范下輪載橫橋向×縱橋向尺寸分別為600 mm×200 mm和400 mm×400 mm，實際分析偏不利不考慮鋪裝層對輪載的擴散作用。通過影響線試算分析，疲勞應力僅受疊加輪載影響，如圖3和圖4所示，其他輪載對計算結果基本無影響。因此，為方便加載，模型僅考慮單個輪載作用，實際疊加輪載下的疲勞應力通過影響線疊加進行計算。

3.2 約束情況

所選取的研究對象在實橋中與周圍鋼橋面板相連接，根據實際變形特征，并參考相關文獻［8］，模型的縱橋向對一側懸臂端約束，另一側不約束，以保證實際鋼板縱橋向能夠產生位移；對橫橋向兩側頂板進行橫向約束；由于周圍板件對橫隔板具有豎向支承作用，因此對模型橫隔板底端進行豎向約束，以反映實際受力狀態。

3.3 有限元模型

將各板件及焊縫進行離散化處理，基于子模型技術建立了研究對象有限元模型。其中，鋼橋面板縱肋與橫隔板圍焊處采用solid92單元，其余區域采用solid45單元。圍焊處縱肋及焊縫單元網格進行加密處理，確保計算精度。參考相關研究文獻［8］，采用如圖5所示的橫向位置對應的加載工況依次進行加載。

由于結構對稱，取單輪在第一跨內進行縱向移動加載，3種工況下共計93個荷載步，兩種規范下共計186個荷載步。有限元模型如圖6所示。

4 結果分析

縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應力受面內和面外應力的共同影響，主要受主拉應力作用，通常以主拉應力作為該位置疲勞應力的代表應力。基于所建立的有限元模型，參考文獻［1］，取距離圍焊處8 mm縱肋表面位置作為名義應力取值點，考慮相鄰輪載的疊加作用，分別得到國內規范和歐洲規范下3種工況疲勞應力，如圖7所示。其中，縱向位置為標準疲勞車疊加輪載中心位置。

研究結果表明：（1）3種工況中，在兩種規范疲勞車作用下，縱肋與橫隔板圍焊處疲勞應力均在工況2下的數值最大，歐洲規范和國內規范疲勞應力幅分別為61.3 MPa和47.6 MPa；（2）兩種規范下疲勞應力幅達到最大時輪載均對稱作用在橫隔板兩側，表明圍焊處疲勞應力主要受面外疲勞車影響；（3）國內規范疲勞車作用下，工況1與工況2的最大疲勞應力數值較為接近，當輪載遠離橫隔板一定距離后，工況3下的疲勞應力數值高于工況2；而歐洲規范疲勞車作用下，工況2在輪載遠離橫隔板一定距離后，與工況3數值較為接近；兩種規范疲勞車作用下工況1疲勞應力水平均較低。

5 結語

在本文所選取的加載工況下，歐洲規范疲勞車作用下圍焊處疲勞應力幅最為不利，其數值為國內規范疲勞車作用下的1.3倍。兩種規范下，當輪載橫向位置均位于縱肋正上方時，疲勞應力水平最低，設計時建議將輪跡線放置于縱肋正上方位置附近。

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］邱體軍，李善群.正交異性鋼橋面板橫隔板開孔型式的對比分析［J］.工程與建設，2014，28（4）：491-493.

［3］吳亞坤.縱肋與橫隔板新型構造細節的疲勞失效機理及其疲勞抗力研究［D］.成都：西南交通大學，2020.

［4］卜一之，金 通，李 俊，等.縱肋與橫隔板交叉構造細節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］張清華，郭亞文，李 俊，等.鋼橋面板縱肋雙面焊構造疲勞裂紋擴展特性研究［J］.中國公路學報，2019，32（7）：49-56，110.

［6］JTG D64-2015，公路鋼結構橋梁設計規范［S］.

［7］Eurocode 3，Design of Steel Structures［S］.

［8］周 維，于浩楠.鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細節疲勞應力有限元分析［J］.城市道橋與防洪，2021（11）：189-191，202.

收稿日期：2022-12-20