輪載形式對鋼橋面板疲勞應力的影響分析

關鍵詞：鋼橋面板；橫隔板與縱肋交叉細節；典型疲勞車；有限元；疲勞應力幅中圖分類號：U443.31 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.043文章編號：1673-4874（2025）03-0150-03

0 引言

鋼橋面板承載能力高，便于工廠化加工制造，被廣泛應用于橋梁建設中。隨著橋梁跨徑的增加，由于混凝土結構受材料強度限制，傳統簡支梁橋結構體系中混凝土橋跨度一般 ?40m ，而鋼橋在大跨度橋梁中占有絕對優勢。近年來，已建成的港珠澳大橋、青山長江大橋、沌口長江大橋等跨海、跨江通道主梁均采用鋼橋面板形式。鋼橋面板具有突出的靜力性能的同時，受大流量、重車比例逐年增大的共同影響，多個構造細節疲勞損傷嚴重，實橋中出現了一系列大尺度疲勞裂紋。目前，鋼橋面板疲勞性能相關研究是大跨度橋梁結構性能研究的重要方向，研究成果對指導鋼橋面板構造設計具有重要意義。

相關文獻表明[1：橫隔板與縱肋交叉細節疲勞裂紋占比較高，為所有構造細節疲勞裂紋的38. 2% ，相關學者圍繞該細節疲勞性能開展了較為深入的研究。周維等2基于疲勞節段有限元模型對鋼橋面板圍焊處的疲勞應力進行了分析；楊威[3從結構變形特征出發，對橫隔板與縱肋面內變形疲勞試驗模型進行了設計優化研究；王寶州4基于等效結構應力疲勞性能評估方法對鋼橋面板新型構造細節疲勞抗力進行了深入研究；卜一之等5和王喆分別采用栓接角鋼和CFRP板對橫隔板與縱肋交叉細節加固效果進行了研究；劉益銘等基于線彈性斷裂力學疲勞性能評估方法，對橫隔板與縱肋交叉細節典型疲勞裂紋擴展特征及疲勞壽命進行了系統分析。目前關于橫隔板與縱肋交叉細節的相關研究主要集中在疲勞評估方法、新型構造細節、疲勞裂紋擴展情況和加固分析等方面，且研究中均采用單一荷載形式，缺少不同輪載形式下疲勞分析，不利于提高設計人員對鋼橋面板外部荷載環境疲勞應力特征的認識。本文通過國內外不同輪載形式疲勞應力的對比分析，可為構造細節優化設計提供重要參考。

1鋼橋面板典型構造細節介紹

鋼橋面板由不同方向的板單元經工廠焊接而組成，頂板與縱肋通過熔透焊焊接產生典型構造細節，即縱肋與頂板構造細節；縱肋連續通過橫隔板，與橫隔板通過豎向角焊縫及底部圍焊形成典型構造細節，即橫隔板與縱肋交叉細節；以上兩類構造細節一般在工廠內組成鋼橋面板節段時已形成，由于鋼橋面板整體尺度較大，節段運輸至工地現場縱肋縱向通過對接螺栓連接形成典型構造細節，即縱肋對接螺栓細節，如圖1所示。以上3種典型構造細節中第2種受力最為復雜，主要受第二體系應力影響，以彎扭應力為主，該細節易產生疲勞裂紋。因此本文主要針對橫隔板與縱肋交叉細節展開研究。

2標準疲勞車示意

鋼橋面板進行疲勞應力分析時，應選用合適的疲勞車形式。通過國內外規范調研，目前文獻中應用較多的疲勞車形式主要有國內規范、歐洲規范9和英國規范[三種，三種規范下的疲勞車存在一定差異，主要表現在輪載尺寸上。為便于直觀了解三種規范疲勞車形式及其差異，如圖2所示，分別對三種疲勞車進行了示意，其中國內規范和歐洲規范單軸輪重均為 120kN ，英國規范單軸輪重為80KN， w 為疲勞車橫向輪廓范圍。

3疲勞節段實體有限元模型的建立

3.1幾何模型尺寸

鋼橋面板構造細節受局部加載區域影響，根據受力特征，選取縱向2跨，橫向3個縱肋為幾何模型尺度范圍。橫隔板跨度均為 2000mm ，橫隔板外懸臂取500mm ?？v肋關鍵參數如下：橫向中心距為 600mm ，上開口寬為 300mm ，底部寬為 180mm ，高度為 280mm ，厚度為8mm。頂板厚度為 16mm ，橫隔板厚度為 14mm ，橫隔板開孔高度為 25mm ，為圓弧開孔形式，確保橫隔板應力過渡平順。橫隔板與縱肋交叉細節角焊縫焊腳尺寸為 8mm ，建模時考慮焊縫幾何形狀。文獻[2研究表明：鋼橋面板典型構造細節典型加載工況為輪載中心作用于縱肋腹板正上方位置，由于構造細節橫向影響線范圍明顯小于橫向輪距，因此采用單側輪載加載，疲勞應力縱向影響可通過單輪應力影響線疊加計算得到。幾何模型橫斷面與加載工況如圖3所示。

加載中心線英國規范P=40kN歐洲規范P=60kN國內規范P=60kN 18 關注位置 00L區2410300×7=2100 I 單位：

3.2有限元模型

在本文所選取的節段幾何模型尺度的基礎上，基于ANSYS實體有限元數值模擬軟件，將縱肋、頂板、橫隔板和焊縫進行離散化，建立有限元模型如圖4所示。關注位置位于中間橫隔板處，并對關注位置采用子模型進行網格細化處理，橫隔板與縱肋交叉焊縫尺寸控制在2mm以內，子模型采用solid95二次實體單元，其余區域采用solid45線性實體單元，以提高計算精度。子模型大小為：

橫向寬度 × 縱向長度 × 高度 =200m×400m×400m.

按照節段幾何模型在全橋所處位置分別對模型縱、橫和豎向線位移進行約束。疲勞車輪載依次從一端邊橫隔板正上方向另一端邊橫隔板按 100mm 縱向加載步長進行遍歷加載，每種規范疲勞車共加載21步，加載時偏不利考慮忽略鋪裝層影響。

4計算結果分析

橫隔板與縱肋交叉細節應力狀態較為復雜，難以采用單一方向應力指標進行衡量，此處結合計算結果，采用主拉應力作為疲勞代表應力。文獻[5]和[7]研究表明：橫隔板與縱肋交叉細節疲勞裂紋常常出現在圍焊焊趾處，并沿縱肋厚度方向發展。當圍焊焊趾疲勞裂紋擴展至一定長度后，勢必裂穿縱肋形成貫穿型長大裂紋進而威脅行車安全。為對比橫隔板與縱肋交叉細節在國內規范、歐洲規范和英國規范下的應力分布情況，以單輪位于中間橫隔板正上方為代表工況，分別得到關注位置子模型主拉應力云圖如圖5所示。

通過以上計算結果發現，圍焊附近區域主要受主拉應力作用，最大值基本位于圍焊焊趾處，在橫隔板面內荷載作用下，歐洲規范的圍焊焊趾疲勞應力最大，英國規范疲勞應力最小。

為進一步對比三種規范下橫隔板與縱肋交叉細節疲勞應力的差異，將輪載按照單輪影響線進行疊加，分別得到標準疲勞車下的疲勞應力歷程曲線如圖6所示。

由圖6疲勞應力歷程曲線可以得到：（1）當單側相鄰前后軸輪載對稱作用于橫隔板正上方時，橫隔板與縱肋交叉細節疲勞應力達到最大值，隨著輪載逐步向前移動，疲勞應力下降至某一數值后出現一次抬升，當輪載遠離橫隔板后，疲勞應力下降至0 MPa ；（2整體而言，橫隔板與縱肋交叉細節在國內規范、歐洲規范和英國規范標準的疲勞車下最大疲勞應力幅分別為 83.7MPa ，109.3MPa和22.5MPa，前兩種規范下整體疲勞應力水平較高，其中歐洲規范最大；（3）通過疲勞應力變化規律發現，疲勞效應在輪載作用下較為局部，當輪載大小相同時（如國內規范和歐洲規范），疲勞應力與輪載面積的集中程度直接相關，且實橋應嚴格控制車輛超載。

5結語

本文在疲勞節段幾何模型的基礎上，依托ANSYS有限元軟件，以橫隔板與縱肋交叉細節為關注對象，分別計算了國內規范、歐洲規范和英國規范的疲勞車輪載作用下該細節的疲勞應力。主要結論如下：

（1）歐洲規范的疲勞車作用下橫隔板與縱肋交叉細節最大疲勞應力幅為 109.3MPa ，分別為國內規范和英國規范的1.3倍和4.9倍，歐洲規范的疲勞效應最為顯著。

（2當疲勞車單側相鄰前后軸輪載對稱作用于橫隔板正上方時，橫隔板與縱肋交叉細節疲勞應力數值達到最大，疲勞應力最大值降低速度與相鄰前后軸輪距相關，輪距越小，下降越快。

參考文獻

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