基于切口應(yīng)力法的鋼橋面板橫隔板處縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)疲勞壽命評估

鄧文宇

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

正交異性鋼橋面板因其輕質(zhì)高強(qiáng)力學(xué)特點(diǎn)及自動(dòng)化焊接工藝,在國內(nèi)外鋼橋建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,結(jié)構(gòu)體系由多個(gè)具有不同疲勞失效模式構(gòu)造細(xì)節(jié)組成,在局部輪載外因和焊接初始缺陷內(nèi)因等多重因素耦合作用下,疲勞問題突出。相關(guān)研究文獻(xiàn)表明[1]:正交異性鋼橋面板縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)疲勞開裂占所有開裂比例為30.2%,且該細(xì)節(jié)疲勞開裂直接威脅行車安全和箱梁耐久性,是鋼橋面板最為重要的構(gòu)造細(xì)節(jié)。目前,關(guān)于該細(xì)節(jié)疲勞特性相關(guān)研究[2]主要針對橫隔板間的縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)(即RD細(xì)節(jié)),缺少對橫隔板處縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)(即RDF細(xì)節(jié))的系統(tǒng)研究。

唐亮等[3]指出,橫隔板處縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)更容易產(chǎn)生在焊根處萌生并沿頂板厚度擴(kuò)展的貫穿型裂紋。Kolstein[4]基于名義應(yīng)力法針對正交異性鋼橋面板典型構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了較為深入的試驗(yàn)研究,并確定了疲勞強(qiáng)度等級。Moddox等[5]采用熱點(diǎn)應(yīng)力法對縱肋與頂板構(gòu)造細(xì)節(jié)頂板焊趾處的疲勞抗力評估,但該方法并不適用于焊根位置。張清華等[6]驗(yàn)證了切口應(yīng)力法在構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞抗力評估的適用性。本文以橫隔板處縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)為研究對象,基于切口應(yīng)力法,利用ANSYS建立構(gòu)造細(xì)節(jié)切口子模型的疲勞節(jié)段有限元模型,對該細(xì)節(jié)疲勞壽命進(jìn)行評估。

1 研究對象

鋼橋面板縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)分類如圖1所示,其中本文主要研究橫隔板處的RDF細(xì)節(jié),該細(xì)節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展模式為萌生于焊根并沿頂板厚度方向擴(kuò)展。結(jié)合規(guī)范[7]要求,焊縫熔透率取75%,焊腳尺寸取13 mm,縱肋坡口角度設(shè)置為50°。

2 切口有限元模型的建立

2.1 疲勞節(jié)段模型

選取某橋正交異性鋼橋面板作為疲勞節(jié)段有限元模型,如圖2所示。模型共包含5個(gè)縱肋、3個(gè)橫隔板,所研究的RDF細(xì)節(jié)位置處于3#U肋(即U3)與中間橫隔板相交處右側(cè)。節(jié)段模型幾何尺寸為:相鄰橫隔板間距為2 500 mm,頂板和橫隔板厚分別為18 mm和14 mm,U肋截面尺寸(寬×高×厚)取300 mm×280 mm×8 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[6],采用規(guī)范[7]中的軸重為60 kN的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車,按圖2的三種典型工況進(jìn)行加載。

圖2 節(jié)段模型與加載工況示意圖(mm)

2.2 切口有限元模型

采用ANSYS軟件建立本文包含RDF細(xì)節(jié)切口子模型的有限元模型,其中焊根處切口半徑ρ=1 mm,根據(jù)ⅡW推薦值將切口周圍6層網(wǎng)格尺寸控制為0.1 mm,切口子模型單元采用SOLID95,節(jié)段有限元模型區(qū)域單元采用SOLID45。該橋鋼材采用Q370qD,泊松比為0.3。根據(jù)節(jié)段所處位置對有限元模型邊界進(jìn)行約束,其中頂板橫向兩側(cè)位置分別對其橫向自由度進(jìn)行約束(即UX=0),縱肋與頂板縱向兩側(cè)位置分別對其縱向自由度進(jìn)行約束(即Uz=0),橫隔板底部對豎向自由度進(jìn)行約束(即Uy=0)以模擬鋼箱梁的支承作用。所建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型圖

正交異性鋼橋面板疲勞問題具有顯著的局部效應(yīng),進(jìn)行輪載加載時(shí),可不考慮輪載的橫向疊加效應(yīng),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)疲勞車特性采用單側(cè)相鄰輪載形式,如圖4所示。

圖4 加載輪載示意圖(mm)

3 疲勞壽命評估

3.1 受力模式分析

橫隔板處RDF細(xì)節(jié)由頂板、縱肋和橫隔板三者相互焊接連接而組成,在局部輪載作用下主要以受壓為主,受力模式如圖5所示。相關(guān)研究表明[1-2]:縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)疲勞裂紋萌生點(diǎn)位置具有較大峰值的焊接殘余應(yīng)力,而橫隔板處RDF細(xì)節(jié)疲勞裂紋為縱橋向擴(kuò)展裂紋,提取切口應(yīng)力時(shí),可取切口處最大橫向壓應(yīng)力進(jìn)行分析,此時(shí)考慮殘余應(yīng)力后,壓-壓應(yīng)力循環(huán)將轉(zhuǎn)變?yōu)槔?壓或拉-拉應(yīng)力循環(huán),從而引起疲勞開裂。

圖5 橫隔板處RDF細(xì)節(jié)受力模式示意圖

3.2 縱向應(yīng)力歷程

根據(jù)圖4所選用的加載輪載,結(jié)合所建立的有限元模型進(jìn)行橫隔板處RDF細(xì)節(jié)的縱向應(yīng)力歷程分析,考慮模型的對稱性,僅對有限元模型一跨進(jìn)行加載,總橋向每100 mm一個(gè)加載步,共31個(gè)加載步。所得到的橫隔板處RDF細(xì)節(jié)縱向切口應(yīng)力歷程如圖6所示。

圖6 縱向應(yīng)力歷程曲線圖

由圖6可知,三種典型工況作用下,縱肋正上方加載工況(即工況1)切口應(yīng)力幅最大,數(shù)值為203.5 MPa;騎縱肋加載工況(工況2)和縱肋間加載工況(即工況3)切口應(yīng)力幅分別為188.8 MPa和118.3 MPa。通過實(shí)際ANSYS有限元分析,應(yīng)力特征與橫隔板處的RDF細(xì)節(jié)受力模式分析結(jié)論基本一致,即在焊接殘余應(yīng)力作用下該細(xì)節(jié)易產(chǎn)生疲勞裂紋。

3.3 壽命評估

選擇適用的焊接結(jié)構(gòu)切口應(yīng)力S-N曲線是進(jìn)行構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞壽命評估的前提。根據(jù)正交異性鋼橋面板縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)相關(guān)疲勞試驗(yàn)研究結(jié)果[8-9],通過采用本文切口應(yīng)力有限元模型建立方法,將文獻(xiàn)中名義應(yīng)力結(jié)果轉(zhuǎn)化為切口應(yīng)力數(shù)值,此時(shí)可得到大量的以切口應(yīng)力表征的疲勞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)點(diǎn),其中變幅疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn),通過線性累計(jì)損傷公式轉(zhuǎn)化為常幅疲勞數(shù)據(jù):

(1)

式中:Δσeq——等效后的常幅應(yīng)力幅;

ni和Δσi——作用次數(shù)及對應(yīng)變幅應(yīng)力幅;

1/m——S-N曲線的斜率。

以ⅡW所推薦的FAT225級S-N曲線為判據(jù),將數(shù)據(jù)點(diǎn)與該曲線進(jìn)行比較與驗(yàn)證,在驗(yàn)證FAT225級S-N曲線適用于正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞壽命評估的基礎(chǔ)上,對橫隔板處的RDF細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞壽命評估,切口應(yīng)力S-N曲線如圖7所示。

研究表明:除文獻(xiàn)中兩個(gè)疲勞數(shù)據(jù)點(diǎn)位于FAT225級S-N曲線之下,其余數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于該曲線之上,考慮到疲勞試驗(yàn)的復(fù)雜性和離散型,可選用FAT225級S-N曲線對正價(jià)異性鋼橋面板橫隔板處的RDF細(xì)節(jié)進(jìn)行評估。

此時(shí),橫隔板處的RDF細(xì)節(jié)疲勞壽命可表示為:lg(N)=13.358-3lg(203.5),即壽命N=270.6萬次,該細(xì)節(jié)疲勞壽命滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

(1)通過建立包含切口應(yīng)力子模型的ANSYS疲勞節(jié)段有限元模型,得到了橫隔板處RDF細(xì)節(jié)的縱向應(yīng)力歷程,進(jìn)而確定了該細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅。

(2)參考正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)相關(guān)文獻(xiàn)疲勞數(shù)據(jù),將結(jié)果統(tǒng)一處理在切口應(yīng)力S-N曲線中,并與ⅡW所推薦的FAT225級S-N曲線進(jìn)行比較,驗(yàn)證了該曲線的有效性和適用性。

(3)采用FAT225級S-N曲線對橫隔板處RDF細(xì)節(jié)疲勞壽命進(jìn)行評估,確定了該細(xì)節(jié)疲勞壽命為270.6萬次,滿足規(guī)范要求。