車輪荷載下鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力等級評定

吉伯海趙端端傅中秋汪 鋒沈丹雯

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇南京 210098;2.江蘇揚子大橋股份有限公司,江蘇靖江 214000; 3.蘇州市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站,江蘇蘇州 215000)

車輪荷載下鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力等級評定

吉伯海1,趙端端1,傅中秋1,汪 鋒2,沈丹雯3

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇南京 210098;2.江蘇揚子大橋股份有限公司,江蘇靖江 214000; 3.蘇州市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站,江蘇蘇州 215000)

針對車輪荷載作用下鋼箱梁的疲勞構(gòu)造細節(jié)等級評定問題,基于應(yīng)力影響線,研究鋼箱梁9種疲勞構(gòu)造細節(jié)的局部疲勞應(yīng)力。根據(jù)等效損傷原理對最大應(yīng)力幅進行修正,并以此為依據(jù)劃分鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)。結(jié)果表明:車輪荷載對鋼箱梁9種疲勞構(gòu)造細節(jié)的應(yīng)力影響范圍均較小,橫隔板與頂板、縱肋相交處的應(yīng)力影響范圍為橫隔板間距;頂板與縱肋相交處、縱肋對接處以及頂板對接處,應(yīng)力影響范圍為橫隔板間距的1/2。鋼箱梁橫隔板與縱肋相交處的修正等效應(yīng)力幅最大,縱肋對接處的修正等效應(yīng)力幅最小。考慮受力和施工質(zhì)量,鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)可劃分為5個疲勞應(yīng)力等級,并給出9種疲勞構(gòu)造細節(jié)對應(yīng)的等級。

鋼箱梁;車輪荷載;疲勞構(gòu)造細節(jié);等效應(yīng)力幅;疲勞應(yīng)力等級

鋼箱梁由于自重輕、強度高、制作施工快速等多方面的優(yōu)點,在我國大、中跨度的公路和城市道路橋梁建設(shè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。鋼箱梁結(jié)構(gòu)在運營期承受的車輛、風等動荷載循環(huán)應(yīng)力會產(chǎn)生累積損傷,從而引發(fā)鋼箱梁結(jié)構(gòu)細節(jié)的疲勞開裂。大跨度橋梁大多位于江海之上,環(huán)境濕度較大,環(huán)境大氣中可能含有腐蝕成分,因此鋼箱梁容易發(fā)生腐蝕。對于發(fā)生腐蝕的鋼箱梁,動荷載循環(huán)應(yīng)力會加劇疲勞裂紋的開展,影響鋼板的疲勞性能。腐蝕與疲勞兩者相互影響,嚴重縮短了鋼箱梁的使用壽命,對于腐蝕嚴重的鋼箱梁更易發(fā)生突然的破壞,導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)安全事故[1-3]。

現(xiàn)有規(guī)范大多分析鋼箱梁整體疲勞程度,針對鋼箱梁具體構(gòu)造細節(jié)的疲勞分析較少,然而在相同的車輪荷載作用下各個細節(jié)處產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力大小并不相同。在評估鋼箱梁疲勞等級時,若僅檢測鋼板外觀,以疲勞裂紋發(fā)展長度作為判定疲勞程度的依據(jù),評定出的疲勞等級不能真實地反映鋼箱梁的疲勞程度。針對以上問題,筆者采用應(yīng)力影響線對鋼箱梁具體的疲勞構(gòu)造細節(jié)進行分析,并通過泄水計數(shù)法及Miner線性等效損傷原理對最大應(yīng)力幅進行修正,得到鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)的修正等效應(yīng)力幅,以此為依據(jù)將鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)劃分為5個疲勞應(yīng)力等級,最終評估出鋼箱梁易疲勞構(gòu)造細節(jié)的疲勞等級。

1 鋼箱梁節(jié)段有限元模型

某在役大跨徑橋梁跨中節(jié)段的鋼箱梁寬度為32.8 m,頂板厚度為14 mm,U肋厚度為8 mm,橫隔板厚度為8 mm,間距為1.75 m?？缰泄?jié)段鋼箱梁截面構(gòu)造見圖1。

為了節(jié)省計算空間,提高計算效率,利用有限元分析軟件建立了鋼箱梁跨中節(jié)段的橋面板簡化計算模型[4]:取橋面板長14 m,橋面板寬4.5 m,5道橫隔板,橫隔板間距1.75 m,7條加勁肋。鋼橋面板簡化模型采用shell63殼單元模擬,網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m,疲勞構(gòu)造細節(jié)位置進行局部細化,網(wǎng)格尺寸為0.01 m×0.01 m,橋面板簡化的幾何模型如圖2所示。簡化模型中的橫隔板邊界條件,除了橫隔板自身與頂板之間的固接,橫隔板剩余的3個邊界處各節(jié)點設(shè)置3個平動自由度與3個轉(zhuǎn)動自由度。約束頂板節(jié)點處的3個平動自由度。

2 車輪荷載施加

由于鋼橋面板的縱向、橫向荷載移動線較短,在鋼橋面板的應(yīng)力幅計算中可以忽略車輪作用的相互影響。因此,本文不考慮多車效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力幅疊加效應(yīng),在順橋向、橫橋向僅考慮單個車輪的作用效應(yīng)[5]。

車輛在行駛過程中會偏離輪跡中心線,產(chǎn)生車輪輪跡的橫向分布。國內(nèi)外對車輪輪跡橫向分布均開展了相關(guān)研究[6-7],本文基于崔冰等[8]研究的虎門大橋車輪軌跡統(tǒng)計分析結(jié)果,假定橫橋向以150 mm為一種分布情況,各位置車輪輪跡橫向分布概率如圖3所示。為方便計算,取車輪荷載為100 kN。

3 鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力等級劃分

3.1 應(yīng)力影響線

根據(jù)國內(nèi)外學者對鋼箱梁疲勞構(gòu)造細節(jié)的研究資料,本文總結(jié)并劃分出鋼箱梁易產(chǎn)生疲勞裂紋的9個疲勞構(gòu)造細節(jié),用編號A～H表示,并給出了位置描述,見表1。其中,細節(jié)A、B的疲勞裂紋一般出現(xiàn)在頂板并沿縱橋向發(fā)展,根據(jù)國際焊接協(xié)會IIW推薦,取距離焊縫1.5t(t為頂板厚度)處作為橫向應(yīng)力取值位置[9]。細節(jié)F的裂紋多產(chǎn)生在頂板及焊縫內(nèi)部,選取2條縱肋間頂板距離橫隔板5mm處作為縱向應(yīng)力參考點[10-11]。

車輪荷載采用單輪和雙輪2種加載方式,車輪的橫向加載位置如圖4所示,P1′、P2′、P3′、P4′(Q1′、Q2′、Q3′、Q4′)分別與P1、P2、P3、P4(Q1、Q2、Q3、Q4)關(guān)于輪跡中心線對稱,圖中沒有具體畫出,輪跡中心線位于縱肋的中心(0號位置)。通過有限元可以繪出各個疲勞構(gòu)造細節(jié)在車輪作用下的應(yīng)力影響線。本文僅列出疲勞構(gòu)造細節(jié)A、B在單輪和雙輪作用下的應(yīng)力影響線,如圖5和圖6所示。

觀察9個疲勞構(gòu)造細節(jié)順橋方向的應(yīng)力影響線可知,車輪荷載作用產(chǎn)生應(yīng)力的范圍均較小。對于疲勞構(gòu)造細節(jié)A,在單輪、雙輪作用下其最大的應(yīng)力峰值在順橋向均位于橫隔板所在斷面,當車輪位置與疲勞構(gòu)造細節(jié)計算位置的縱向距離大于橫隔板的間距時(＞1.75 m),車輪荷載對細節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力很小或幾乎為零。細節(jié)C、D和F的最大應(yīng)力峰值及位置與細節(jié)A基本一致。

對于疲勞構(gòu)造細節(jié)B,在單輪與雙輪作用下其最大應(yīng)力峰值在順橋向均位于2個橫隔板的中間,當車輪位置與疲勞構(gòu)造細節(jié)計算位置的縱向距離大于橫隔板間距的1/2時(＞0.875 m),車輪荷載對細節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力很小或幾乎為零。細節(jié)E、G1、G2和H的最大應(yīng)力峰值及位置與細節(jié)B基本一致。

3.2 修正等效應(yīng)力幅

國內(nèi)外規(guī)范中疲勞車輪荷載模型有很多,本文采用中交路橋技術(shù)有限公司推導(dǎo)的適合我國公路鋼橋設(shè)計的標準疲勞車輛模型,該標準疲勞車輪荷載的軸距最小值為1.4 m[12-16]。根據(jù)各細節(jié)的應(yīng)力影響線得到對應(yīng)的計算應(yīng)力幅,表2分別列出了細節(jié)A和B的應(yīng)力幅。按圖4中車輪輪跡橫向分布情況對計算應(yīng)力幅進行車輪輪跡修正,得到輪跡修正系數(shù)見表3。

由表3可知,細節(jié)G1和G2的最大應(yīng)力幅和修正應(yīng)力幅均相差很小,因此兩者無需分別考慮,統(tǒng)一稱為橋面板橫向?qū)蛹毠?jié)G,且采用應(yīng)力值較大的細節(jié)G1的應(yīng)力幅作為參考依據(jù)。

根據(jù)疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力影響線,采用泄水計數(shù)法提取疲勞構(gòu)造細節(jié)的應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù),剔除較小的應(yīng)力循環(huán)。將疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力幅按Miner線性等效損傷原理計算等效應(yīng)力幅,等效應(yīng)力幅計算公式為

式中:Δσeq——等效應(yīng)力幅;n——應(yīng)力循環(huán)次數(shù);ni——第i級應(yīng)力幅對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù);Δσi——第i級應(yīng)力幅;m——S-N曲線的斜率參數(shù),一般取3.0。

對式(1)計算得到的等效應(yīng)力幅進行車輪輪跡修正,表4為1～6軸車疲勞車輛在單輪和雙輪作用下鋼箱梁各疲勞構(gòu)造細節(jié)橫向最不利加載對應(yīng)的計算應(yīng)力幅及修正等效應(yīng)力幅。由于本文僅需得到車輪荷載下各疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力幅的相對比值,因此可以忽略沖擊系數(shù)修正。

由表4可知,8種疲勞構(gòu)造細節(jié)中,細節(jié)D在疲勞車輪荷載下產(chǎn)生的應(yīng)力最大,細節(jié)E最小。表3和表4計算得到的修正等效應(yīng)力幅在一定程度上反映了鋼箱梁典型疲勞構(gòu)造細節(jié)的相對易疲勞程度。

3.3 疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力等級劃分

對比分析表4中各疲勞構(gòu)造細節(jié)的修正等效應(yīng)力幅,以各細節(jié)中最大的修正應(yīng)力幅值為分母,該細節(jié)的修正應(yīng)力幅值為分子,計算得單輪、雙輪的相對應(yīng)力幅,見表5。表中第4列和第5列為5倍的相對應(yīng)力幅值,數(shù)值均在1.00～5.00的范圍內(nèi),對單輪、雙輪的平均值采用四舍五入法則,并以此數(shù)值結(jié)果作為各疲勞構(gòu)造細節(jié)的賦分依據(jù),作為評定等級。

疲勞構(gòu)造細節(jié)分為5個等級,分別對應(yīng)分值1、2、3、4和5。由于細節(jié)E處在工程中只能采用仰焊的焊接方式,其焊接質(zhì)量相對其他細節(jié)難以保證,因此將該細節(jié)提高一個等級,評分值改為3。

4 結(jié) 論

a.車輪荷載對鋼箱梁9種疲勞構(gòu)造細節(jié)的應(yīng)力影響范圍均較小。橫隔板與頂板、縱肋相交處,應(yīng)力影響范圍為橫隔板間距(1.75m),且最大應(yīng)力峰值在縱橋向位于橫隔板所在斷面。頂板與縱肋相交處、縱肋對接處以及頂板對接處,應(yīng)力影響范圍為相鄰橫隔板間距的1/2(即0.875 m),且最大應(yīng)力峰值在縱橋向位于兩個橫隔板的中間。

b.在車輪荷載作用下,橫隔板與縱肋相交處的橫隔板產(chǎn)生的應(yīng)力最大,縱肋對接處的縱肋產(chǎn)生的應(yīng)力最小,其余疲勞構(gòu)造細節(jié)處的應(yīng)力大小基本一致。單輪作用下產(chǎn)生的疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力大于雙輪作用下產(chǎn)生的疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力。

c.根據(jù)我國疲勞車輪荷載模型,以有限元計算得出鋼箱梁9種疲勞構(gòu)造細節(jié)的修正等效應(yīng)力幅為依據(jù),將疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力等級劃分為5級,并給出了9種疲勞構(gòu)造細節(jié)對應(yīng)的等級。但由于縱肋對接處需要仰焊,所以將縱肋對接處的疲勞構(gòu)造細節(jié)應(yīng)力等級提高一級。

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Fatigue stress level evaluation of structural details of steel box girder under wheel load

JI Bohai1,ZHAO Duanduan1,FU Zhongqiu1,WANG Feng2,SHEN Danwen3
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Jiangsu Yangtze River Bridge Co.,Ltd.,Jingjiang 214000,China; 3.Suzhou City Traffic Engineering Quality Surveillance,Suzhou 215000,China)

In order to evaluate the fatigue stress level of the structural details of a steel box girder under the wheel load,the local fatigue stress of nine structural details were studied based on the stress influence line.The greatest stress amplitude was corrected according to the principle of damage equivalence,and the structural details of the steel box girder were divided.The results show that the vehicle load has little influence on the fatigue stress of the nine structural details of the steel box girder.At the intersection of the diaphragm plate,the roof,and the longitudinal rib,the influence on the stress occurred in the interval of the diaphragm plate.At the intersection of the diaphragm plate and the longitudinal rib,and at longitudinal rib joints and roof joints,the influence on the stress occurred at half of the interval of the diaphragm plate.The corrected equivalent stress amplitude was the greatest at the joint of the diaphragm plate and the longitudinal rib,and the smallest at longitudinal rib joints.With consideration of stress and construction quality,the fatigue stress of the structural details of the steel box girder can be classified into five levels,and the corresponding levels of the nine fatigue structural details are also provided.

steel box girder;wheel load;fatigue structural details;equivalent stress amplitude;fatigue stress level

U441+.5

:A

:1000-1980(2014)05-0416-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.008

2013-09 25

國家自然科學基金(51278166);高等學校博士學科點專項科研基金(20120094110009);江蘇省交通科學研究計劃(2011Y09-1, 2012Y13)

吉伯海(1966—),男,江蘇揚州人,教授,博士,主要從事鋼橋疲勞與維護研究。E-mail:hhbhji@163.com