鋼橋面板橫隔板交叉細節圍焊處應力強度因子分析

摘要：為研究鋼橋面板在標準疲勞車作用下裂紋擴展的可能性及其開裂特征，文章基于ANSYS有限元軟件構建了包含初始制造缺陷的數值模擬模型，分析了橫隔板交叉細節圍焊處應力強度因子變化規律。數值模擬結果表明：橫隔板交叉細節疲勞開裂以Ⅰ型裂紋為主，等效應力強度因子幅值為85.0N·mm-3/2，超過材料擴展閾值，存在開裂風險；建議鋼橋面板構造設計時應重視橫隔板交叉細節的尺寸優化分析，同時工廠焊接制造時，應合理控制焊接工藝，并加強初始制造缺陷檢測。

關鍵詞：鋼橋面板；橫隔板；疲勞裂紋；初始制造缺陷；應力強度因子

中圖分類號：U441+.4" " " 文獻標識碼：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.050

文章編號：1673-4874（2024）11-0170-02

0引言

據統計，正交異性鋼橋面板（以下簡稱鋼橋面板）眾多焊縫細節中橫隔板交叉細節疲勞開裂占比高達38.2%，是疲勞研究中較為重要的焊縫細節［1-3］。疲勞性能研究中最直接有效的分析對象為疲勞裂紋。黃云等［4］探討了應力強度因子求解方法并對橫隔板交叉細節表面缺陷及其疲勞效應進行了研究；李丹等［5］闡述了擴展有限元理論并分析了某千米級斜拉橋鋼橋面板縱肋頂板焊縫細節典型裂紋的應力強度因子；張亞海等［6］基于斷裂力學方法對比了縱肋頂板雙面焊縫與傳統單面焊縫應力強度因子的差異；劉益銘等［7］建立了鋼橋面板疲勞裂紋擴展模擬方法并分析了橫隔板交叉細節典型疲勞裂紋不同擴展路徑下的擴展速率，得到了疲勞壽命。關于橫隔板交叉細節疲勞裂紋的研究文獻中，大多基于疲勞裂紋擴展規律、疲勞失效路徑和疲勞壽命等方面而開展，且分析所采用的荷載大多為固定位置，得到的應力強度因子也為固定荷載位置下的數值，不能夠準確描述移動輪載下的疲勞開裂特征。因此，本文考慮移動輪載作用，分析了橫隔板交叉細節圍焊處應力強度因子變化規律，有助于提高設計人員對疲勞開裂的認識。

1橫隔板交叉細節

鋼橋面板應用早期由于對疲勞問題的認識不夠，橫隔板交叉細節往往采用兩種形式：（1）縱肋在橫隔板處斷開，與橫隔板焊接連接；（2）縱肋連續通過橫隔板，但連續通過處縱肋底部橫隔板不開孔。以上兩種形式疲勞性能較差，橫隔板對縱肋約束較強，導致焊縫所受二次應力大，易發生疲勞破壞。目前橫隔板交叉細節大多采用縱肋連續通過橫隔板形式，且在縱肋底部橫隔板設置圓弧開孔，此種情況下，橫隔板既能通過與縱肋腹板的焊接連接對縱肋進行必要的約束，又能通過底部的開孔形式避免約束應力過大、導致過早的產生疲勞開裂。

橫隔板交叉細節開孔形式多種多樣，無論開孔的大小，實橋中均存在三種情形的疲勞裂紋：（1）出現在縱肋與橫隔板圍焊焊趾處縱肋上的疲勞裂紋，相關文獻表明該位置裂紋最容易產生，疲勞應力復雜，此位置的疲勞開裂通常成為橫隔板交叉細節的主導疲勞失效模式；（2）出現在圍焊焊趾處橫隔板上的疲勞裂紋；（3）出現在應力集中較為嚴重弧形開孔邊緣處的疲勞裂紋。橫隔板交叉細節三類典型疲勞裂紋如圖1所示，本文主要是針對第1類疲勞裂紋進行分析。

2應力強度因子與初始制造缺陷

2.1應力強度因子

應力強度因子的求解是斷裂力學分析的重要內容。參考相互作用積分原理，相互作用積分I（s）由三種基本開裂模式應力強度因子組成：

I（s）=2E′（s）（KⅠK′Ⅰ+KⅡK′Ⅱ）+1u（s）KⅢK′Ⅲ（1）

式中：E′（s）——輔助場下的彈性模量，平面應變和應力狀態下E′（s）分別為E（s）/（1-v2（s））和E（s），E（s）為真實場下的彈性模量；

K′Ⅰ、K′Ⅱ、K′Ⅲ——輔助場下的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型應力強度因子；

v（s）——真實場下的泊松比；

u（s）——真實場下的剪切模量，u（s）=E（s）/2（1+v（s））；

KⅠ、KⅡ、KⅢ——真實場下的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型應力強度因子。

由真實場和輔助場下的應力、應變和位移參數，可計算得到裂紋前緣處的I（s）。通過式（1）可反算得到基本開裂模式下的應力強度因子。參考標準BS7910［8］，復合開裂模式下的等效應力強度因子Keff可由式（2）進行計算：

Keff=K2Ⅰ+K2Ⅱ+K2Ⅲ/（1-v）（2）

2.2初始制造缺陷

初始制造缺陷是疲勞性能劣化的主要內因，一般包括氣孔、夾雜等。相關學者將初始制造缺陷幾何特征分別簡化為面狀（半圓形和半橢圓形）和體狀（半球形和半橢球形），根據研究結果，面狀缺陷對于疲勞分析更為不利。鋼橋面板節段疲勞試驗中對于構造細節切割后發現，斷面中類裂紋形態也類似于半圓形和半橢圓形。綜合相關文獻，本次分析時將初始制造缺陷簡化為半圓形，半徑R=0.5mm，如圖2所示，其中t為鋼板厚度。

3有限元數值分析模型

3.1足尺節段幾何尺寸

以國內某大跨度鋼橋為背景依托，取鋼橋面板足尺節段模型進行后續數值模擬分析。鋼橋面板焊縫細節的疲勞問題一般屬于第二體系受力問題，且疲勞效應分布僅與局部范圍輪載有關，因此疲勞分析時足尺節段模型可取一定的縱肋長度和寬度進行研究。結合相關研究文獻［9］，本文分析時足尺節段模型橫向取3個縱肋、縱向取2個縱肋節間，關注位置為中間橫隔板2#縱肋處。考慮到輪載尺寸的不利影響，分析時取輪載更為集中的歐規疲勞車作為外荷載［10］，橫向加載時將單輪（輪載尺寸為400mm×400mm）偏不利的放在關注位置側縱肋腹板正上方，縱向按照兩個縱肋節間依次加載。本文所選取的足尺節段模型幾何尺寸如圖3所示，其中橫隔板厚度為14mm，圍焊采用普通角焊縫形式，焊腳尺寸為7mm。

3.2模型的建立

將初始制造缺陷引入到關注位置圍焊焊趾正下方縱肋處，由于裂紋前緣應力場存在奇異性，將裂尖中心層楔形體單元中間節點優化至1/4處可實現應力求解，裂紋周圍采用solid95單元，模型中非關注區域采用solid45單元，全部采用實體單元進行建模，其中焊縫按照真實尺寸建立，網格控制在1.5mm以內，非關注區域網格適當加大。鋼材材料為Q345qD，依托ANSYS軟件所建立的有限元數值分析模型如圖4所示。

4應力強度因子分析

將移動輪載步長設置為200mm，總加載步為21步。裂紋擴展時板件厚度方向易貫穿，導致疲勞細節完全失效，因此通常關注裂紋深度方向的應力強度因子。為提高橫隔板交叉細節圍焊疲勞開裂模式的認識，分別計算不同荷載步作用下的三種基本開裂形式的應力強度因子如圖5所示，其中橫坐標縱向輪載位置為單側前后輪中心處距離中間橫隔板的相對位置。

由圖5可知，橫隔板交叉細節圍焊處張開型應力強度因子數值較大，明顯占主導地位，其余兩種應力強度因子均為負值，且數值相對較小，按應力強度因子絕對值排序為KⅠ＞KⅡ＞KⅢ，表明該細節圍焊處疲勞裂紋主要以張開型開裂為主，滑開型為輔。當單側前后輪輪載對稱于關注位置橫隔板正上方時，應力強度因子同時達到最大值。在基本開裂形式下應力強度因子計算結果的基礎上，進一步得到等效應力強度因子變化規律如圖6所示。

參考相關研究文獻［4］，鋼橋面板焊縫細節材料擴展閾值為63 N·mm-3/2，等效應力強度因子幅值為85.0 N·mm-3/2，超過材料擴展閾值，疲勞裂紋存在開裂風險。等效應力強度因子與張開型應力強度因子變化規律基本一致，當單側前后輪輪載中心至關注位置橫隔板正上方距離在［-600 mm，600 mm］時，輪載作用下的疲勞效應較為突出。

5結語

（1）本文基于ANSYS軟件建立了包含初始制造缺陷的有限元數值分析模型，得到鋼橋面板橫隔板交叉細節圍焊處疲勞開裂以Ⅰ型裂紋為主，Ⅱ型裂紋為輔。另外，Ⅲ型應力強度因子較小，基本可以忽略。

（2）在本文所選取的橫隔板交叉細節尺寸條件下，圍焊處的疲勞裂紋等效應力強度因子幅值為85.0 N·mm-3/2，超過材料擴展閾值，裂紋具有一定的擴展能力。建議結合疲勞分析結果，進一步加強鋼橋面板的構造設計，橋梁運維管養期間盡量避免超載，同時在焊接構件出廠時應加強初始制造缺陷的檢測。

參考文獻：

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［10］劉仕茂，祁義輝，劉濤.中歐規范下鋼橋面板與縱肋雙面焊焊接細節疲勞性能分析［J］.公路與汽運，2023（2）：119-121，126.

作者簡介：謝小芳（1987—），工程師，主要從事道路與橋梁技術研究和試驗檢測工作。

收稿日期：2024-05-16