橫隔板對(duì)鋼橋面板弧形開孔疲勞應(yīng)力的影響分析

摘要：文章以鋼橋面板橫隔板處弧形開孔部位為研究對(duì)象，基于有限元數(shù)值模擬軟件，建立了包含弧形開孔子模型的鋼橋面板節(jié)段有限元分析模型，研究了橫隔板厚度及間距對(duì)弧形開孔部位的疲勞應(yīng)力的影響，相關(guān)結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼橋面板；橫隔板；弧形開孔；有限元；疲勞應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U441+.5 A 22 071 3

0 引言

鋼橋面板主要用于大跨結(jié)構(gòu)鋼箱梁中，由頂板、縱肋和橫隔板三種主要板件組成。該橋面板在縱橋向和橫橋向受力不同，主要特點(diǎn)為輕質(zhì)、高強(qiáng)、便于工廠制造。由于各板件通過焊接連接，鋼橋面板出現(xiàn)多處焊接接頭，接頭處受力復(fù)雜，在輪載反復(fù)作用下，局部應(yīng)力集中嚴(yán)重，容易出現(xiàn)疲勞損傷。相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明［1］：橫隔板弧形開孔疲勞裂紋在所有焊接接頭中的占比相對(duì)較大，其數(shù)值約為38.2%，該部位是目前鋼橋面板疲勞性能研究中重點(diǎn)關(guān)注的部分之一。

疲勞問題的研究不僅局限于試驗(yàn)方面，通過可行的數(shù)值理論分析方法對(duì)疲勞抗力、損傷失效機(jī)理、疲勞裂紋擴(kuò)展全過程模擬和剩余疲勞壽命評(píng)估等進(jìn)行研究是揭示鋼橋面板疲勞性能的有效途徑。袁遠(yuǎn)等［2］分析了橫隔板弧形開孔處的疲勞裂紋成因及構(gòu)造措施；楊威［3］結(jié)合有限元手段，研究了橫隔板弧形開孔處的受力特征并對(duì)模型尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行了數(shù)值模擬；張清華等［4］基于斷裂力學(xué)分析方法，分析了栓接角鋼加固對(duì)橫隔板弧形開孔加固效果并對(duì)合理加固時(shí)機(jī)的選擇給出了建議；崔闖等［5］基于熱點(diǎn)應(yīng)力分析方法，結(jié)合線性累計(jì)損傷理論分析了實(shí)橋中橫隔板處弧形開孔疲勞壽命。對(duì)于鋼橋面板橫隔板弧形開孔疲勞易損細(xì)節(jié)而言，以上研究主要關(guān)注縱肋與橫隔板圍焊處的疲勞應(yīng)力，而對(duì)弧形開孔處產(chǎn)生的疲勞失效模式的研究相對(duì)較少，不利于鋼橋設(shè)計(jì)人員對(duì)該細(xì)節(jié)疲勞性能的全面認(rèn)識(shí)。

橫隔板弧形開孔處鋼板幾何構(gòu)型不連續(xù)，開孔邊緣鋼板母材疲勞應(yīng)力相對(duì)較高。本文通過有限元數(shù)值模擬軟件，建立包含弧形開孔子模型的鋼橋面板節(jié)段有限元分析模型，得到了弧形開孔處的疲勞應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)探討了橫隔板厚度及間距對(duì)弧形開孔部位的影響。

1 橫隔板弧形開孔

橫隔板弧形開孔部位是鋼橋面板典型構(gòu)造疲勞易損細(xì)節(jié)，通過設(shè)置開孔形式，縱肋在橫隔板處連續(xù)通過，同時(shí)可以減小橫隔板對(duì)縱肋的約束作用。發(fā)生在橫隔板開孔處的疲勞裂紋主要分布在弧形開孔中間部位，沿著開孔法向方向進(jìn)行擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展至一定長(zhǎng)度后，將撕裂橫隔板使其喪失約束能力，導(dǎo)致鋼橋面板剛度整體降低，不利于行車安全。因此，研究橫隔板弧形開孔處的疲勞性能具有重要意義。鋼橋面板橫隔板弧形開孔部位示意圖如圖1所示。

2 節(jié)段幾何模型

選取國(guó)內(nèi)某大跨連續(xù)梁橋鋼橋面板為研究對(duì)象，縱肋開孔為扁圓弧形式，開孔高度為 25 mm，圓弧開孔由半徑為 25 mm的短圓弧、半徑為 73 mm的長(zhǎng)圓弧和底部半徑為 100 mm的直線段組成，該圓弧形式最早在日本鋼橋中應(yīng)用，在實(shí)橋中應(yīng)用情況良好。由于鋼橋面板疲勞受力為局部問題，模型整體尺寸相比于全橋靜力分析要小得多。文獻(xiàn)［1］調(diào)研發(fā)現(xiàn)，橫橋向3條縱肋和縱橋向2個(gè)橫隔板長(zhǎng)度能夠反映鋼橋面板橫隔板弧形開孔的疲勞應(yīng)力特征，因此，選取如下頁圖2所示的疲勞節(jié)段幾何尺寸。為研究橫隔板對(duì)弧形開孔的影響，設(shè)橫隔板間距為L(zhǎng)，疲勞應(yīng)力關(guān)注部位為2#縱肋短圓弧中心位置。

橋面板材料為Q345qD，泊松比為0.3。既有文獻(xiàn)研究表明［6］：弧形開孔受面內(nèi)荷載作用，同時(shí)受面外荷載影響，為綜合考慮面內(nèi)和面外受力特征，選取國(guó)內(nèi)鋼橋規(guī)范疲勞車輪載進(jìn)行加載［7］。加載位置為圖2中局部輪載作用于中間橫隔板正上方時(shí)的車輪布置情況，橫向位置為縱肋腹板頂端正上方形式。其中，由于車輪橫向距離為 2 000 mm，對(duì)疲勞應(yīng)力影響較小，因此僅采用單側(cè)前后輪進(jìn)行加載。輪載尺寸為 600 mm（橫橋向）× 200 mm（縱橋向），輪載大小為 60 kN，加載時(shí)不計(jì)鋪裝層對(duì)應(yīng)力的影響。頂板、縱肋厚度分別為 16 mm和 8 mm，兩側(cè)橫隔板外側(cè)縱肋懸臂長(zhǎng)度為 500 mm。

3 有限元模型

將鋼橋面板各板件及連接焊縫進(jìn)行離散化，建立圖2模型尺寸下整體有限元模型。為保證計(jì)算結(jié)果精度，在兩跨整體模型下，建立橫隔板弧形開孔子模型，其中子模型與整體模型通過公共邊界部分位移相同來確保受力模式符合要求，子模型頂板區(qū)域同樣施加局部輪載。子模型采用solid92單元，并在短圓弧中心處設(shè)置節(jié)點(diǎn)，以便于提取應(yīng)力結(jié)果，子模型以外區(qū)域采用solid45單元。節(jié)段模型按照實(shí)際變形情況進(jìn)行約束，其中橫橋向和豎橋向分別對(duì)頂板和底板進(jìn)行約束，縱橋向約束一側(cè)懸臂端的頂板和縱肋位移。有限元模型為參數(shù)化形式，橫隔板厚度及間距均設(shè)置為變量，以方便分析橫隔板對(duì)弧形開孔的影響。所建立的有限元模型如圖3所示。

4 計(jì)算結(jié)果分析

弧形開孔主要承受壓應(yīng)力作用，在圖2所示加載工況下，橫隔板弧形開孔疲勞應(yīng)力數(shù)值最大，當(dāng)輪載遠(yuǎn)離關(guān)注位置時(shí)疲勞應(yīng)力數(shù)值趨于0。因此，該加載工況下的疲勞應(yīng)力即為該細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力幅值，可用于對(duì)弧形開孔部位疲勞性能進(jìn)行評(píng)估。

4.1 橫隔板面內(nèi)和面外受力分析

為全面考察弧形開孔受力情況，取橫隔板間距L= 3 000 mm、厚度為 14 mm進(jìn)行面內(nèi)和面外受力分析，通過該項(xiàng)分析可以得到弧形開孔主要荷載模式。分別施加圖2中的正上方輪載和跨中輪載，所得到的疲勞應(yīng)力如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果表明：兩種荷載模式下，橫隔板弧形開孔主壓應(yīng)力均位于短圓弧段，且弧形開孔在面內(nèi)輪載和面外輪載下，主壓應(yīng)力數(shù)值分別為 40.6 MPa和 41.3 MPa，兩者數(shù)值相當(dāng)，即該細(xì)節(jié)受面內(nèi)和面外輪載的共同影響，任一荷載模式均不占據(jù)主導(dǎo)地位。

4.2 橫隔板厚度影響分析

橫隔板厚度直接影響弧形開孔處的彎扭剛度。為分析該參數(shù)對(duì)弧形開孔處疲勞應(yīng)力的影響，令橫隔板間距為 3 000 mm不變，分析橫隔板厚度分別為 10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm六種情形下的疲勞應(yīng)力，加載工況為圖2所示的加載形式，計(jì)算得到弧形開孔處的主壓應(yīng)力如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果表明：橫隔板厚度對(duì)弧形開孔處的疲勞應(yīng)力大致呈線性影響，橫隔板厚度越小弧形開孔處疲勞應(yīng)力越大。當(dāng)橫隔板厚度為 10 mm時(shí)，弧形開孔主壓應(yīng)力達(dá)到 107.5 MPa，因此橫隔板在選取厚度時(shí)，建議 ≥14 mm。

4.3 橫隔板間距影響分析

鋼橋面板弧形開孔受力與橫隔板間距相關(guān)。為此，橫隔板厚度取 14 mm，分析橫隔板間距分別為 1 500 mm、2 000 mm、2 500 m、3 000 mm、3 500 mm、4 000 mm六種情形下的疲勞應(yīng)力。加載工況不變，計(jì)算得到弧形開孔處的主壓應(yīng)力如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果表明：橫隔板間距對(duì)鋼橋面板弧形開孔處疲勞應(yīng)力具有明顯影響，當(dāng)橫隔板間距 ＜2 500 mm時(shí)，弧形開孔應(yīng)力 ≤75.6 MPa，且橫隔板間距越小，疲勞應(yīng)力下降越快；當(dāng)橫隔板間距 ＞2 500 mm時(shí)，疲勞應(yīng)力隨橫隔板間距增大而增大，但增大幅度減慢。結(jié)合用鋼量需求，建議橫隔板間距應(yīng) ≤3 000 mm。

5 結(jié)語

本文基于有限元數(shù)值模擬軟件，對(duì)鋼橋面板弧形開孔處的疲勞應(yīng)力進(jìn)行了分析，在本文加載工況條件下，主要結(jié)論如下：

（1）弧形開孔受橫隔板面內(nèi)輪載和面外輪載的共同影響，兩者疲勞應(yīng)力數(shù)值均較大，進(jìn)行疲勞分析時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮兩種荷載模式的影響。

（2）隨著橫隔板厚度的增大，弧形開孔處的疲勞應(yīng)力大致呈線性下降趨勢(shì)。隨著橫隔板間距的增大，弧形開孔處的疲勞應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)橫隔板間距 ＞2 500 mm時(shí)，疲勞應(yīng)力增大幅度減慢。建議鋼橋面板進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，弧形開孔部位應(yīng)根據(jù)應(yīng)力需求合理確定橫隔板厚度及間距。

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收稿日期：2022-11-28