公路鋼橋正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計(jì)研究

摘要 鋼結(jié)構(gòu)具有容重小、韌性好的優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程中有著十分突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但在長(zhǎng)期荷載循環(huán)作用下，同時(shí)受到焊接應(yīng)力、截面變化等的影響，很容易導(dǎo)致疲勞破壞的發(fā)生，甚至還會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)斷裂。因此，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁展開(kāi)疲勞研究尤為重要。文章以我國(guó)某橋梁工程為例，借助ANSYS有限元分析軟件對(duì)其正交異性鋼橋面板展開(kāi)了疲勞分析。結(jié)合計(jì)算及分析結(jié)果，從疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、疲勞細(xì)節(jié)分類以及疲勞荷載三個(gè)層面展開(kāi)研討，為我國(guó)橋梁工程的技術(shù)完善提供理論支持。

關(guān)鍵詞 公路鋼橋;正交異性鋼橋面板;疲勞設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U443.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）09-0111-03

引言

鋼結(jié)構(gòu)是我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要材料，尤其是在橋梁工程中應(yīng)用廣泛，決定著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性等多項(xiàng)重要指標(biāo)。但受到焊接施工、加工工藝等的影響，疲勞問(wèn)題是橋梁設(shè)計(jì)必須考慮的一項(xiàng)因素[1]。在橋梁設(shè)計(jì)中，正交異性鋼橋面板不僅可以直接承載上部荷載作用，同時(shí)也能與主梁形成良好搭接共同工作，表現(xiàn)出材料用量省且工程性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。但受構(gòu)造要求及焊接效應(yīng)的影響，長(zhǎng)期使用狀態(tài)下縱肋與面板交界位置很容易產(chǎn)生開(kāi)裂[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，著力于改善橋面抗疲勞能力，優(yōu)化抗疲勞設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，具有突出的應(yīng)用價(jià)值。

1 工程實(shí)例概況

該文以我國(guó)某橋梁工程為例，采用正交異性鋼橋面板縱向U肋與頂板焊接、橫隔板與U肋焊接處典型疲勞細(xì)節(jié)。按照現(xiàn)行疲勞規(guī)范完成設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，比對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛下面板內(nèi)所產(chǎn)生的損傷情況。

主梁選用單箱三室箱形截面鋼箱梁，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)10.5 m。頂板及底板寬度分別為29.5 m、17.5 m，主橋中心線位置的箱梁高3.5 m。在箱梁內(nèi)設(shè)計(jì)有兩塊腹板，設(shè)計(jì)間距為1.7 m。

各箱梁段內(nèi)分別留有三道橫隔板，其中兩側(cè)橫隔板分別距梁端1 m、2.5 m，三道橫隔板的間距定為3.5 m。正交異性鋼板各尺寸如圖1所示，箱梁隔板選用實(shí)腹式設(shè)計(jì)，且有普通橫隔板和端橫隔板兩類，厚度均為12 mm，加勁肋厚度均為10 mm。

2 建立有限元分析模型

該文借助ANSYS有限元分析軟件建立計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行分析[3]，分析對(duì)象選為兩個(gè)長(zhǎng)度為21 m的標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁，考慮到箱梁截面沿橋軸線中心呈中心對(duì)稱，因此設(shè)定1/2截面面積。模型中所有構(gòu)件均使用三維板殼單元Shell63模擬，鋼材為Q345鋼，彈性模量為206 GPa、泊松比選為0.3。該模型整體劃分為了92 898個(gè)單元，在對(duì)稱界面上附加對(duì)稱約束，兩側(cè)僅釋放繞X方向的扭轉(zhuǎn)約束，模型荷載根據(jù)車輛單軸重量及接地面積進(jìn)行計(jì)算。

3 疲勞荷載施加及計(jì)算工況

對(duì)A、B、C點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，應(yīng)當(dāng)先得出疲勞荷載作用下這些位置各自的應(yīng)力幅值，并基于最大拉、壓應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的加載點(diǎn)確定最不利加載位置。所以，在確定位置時(shí)就需要反復(fù)調(diào)整使得疲勞車輛在縱向及橫向上移動(dòng)。已有的研究表明受到車軸直接作用時(shí)，正交異性鋼橋面板的關(guān)鍵疲勞細(xì)節(jié)都會(huì)達(dá)到最大值，且當(dāng)車軸遠(yuǎn)離時(shí)將快速下降。

不同地區(qū)對(duì)于疲勞車輛的規(guī)范要求不盡相同，因此在確定輪壓面積、軸距等基本參數(shù)時(shí)也將依照不同的標(biāo)準(zhǔn)，由此測(cè)得的A、B、C點(diǎn)最大應(yīng)力加載位置也就不可避免地存在一定偏差。在確定各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)需要把握疲勞車輛的影響規(guī)律，靈活調(diào)整測(cè)量方法。將A點(diǎn)作為測(cè)量原點(diǎn)，且以A點(diǎn)右側(cè)作為正方向，控制疲勞車輛在橫向?1 000～300 mm的范圍內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)步長(zhǎng)以50 mm為標(biāo)準(zhǔn)，由此總共可得27個(gè)不同的計(jì)算工況[4]。圖2及圖3分別為第1個(gè)工況和第27個(gè)工況。記錄下疲勞車輛移動(dòng)過(guò)程中A、B、C及其他關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力水平變化，得到各點(diǎn)應(yīng)力與橫向位置之間的關(guān)系并繪制相應(yīng)圖表。

基于A、B、C三點(diǎn)與縱向位置的關(guān)系曲線即可確定疲勞車輛最不利的加載位置。將A點(diǎn)作為測(cè)量原點(diǎn)，車輛移動(dòng)控制在?500～1 500 cm的范圍內(nèi)，并記錄A、B、C三點(diǎn)的應(yīng)力水平，根據(jù)分析結(jié)果得到各點(diǎn)應(yīng)力與縱向位置之間的關(guān)系并繪制相應(yīng)圖表。最后即可在基礎(chǔ)上計(jì)算得到A、B、C三點(diǎn)的最大應(yīng)力幅。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 各關(guān)鍵點(diǎn)受力對(duì)比分析

有限元分析發(fā)現(xiàn)，比對(duì)時(shí)以A點(diǎn)作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，疲勞車輛與A點(diǎn)之間的相對(duì)位置作為X軸，各關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力水平作為Y軸。

4.1.1 1#點(diǎn)應(yīng)力水平對(duì)比

對(duì)不同疲勞車輛位置下1#點(diǎn)的橫、縱向應(yīng)力水平變化作為研究對(duì)象展開(kāi)分析，主要工況條件下的應(yīng)力分析值如表1所示。1#點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)為?300。

在疲勞車輛的移動(dòng)下，1#點(diǎn)的應(yīng)力水平發(fā)生了較為明顯的變化，且在X=?400位置出現(xiàn)了最大壓應(yīng)力值，其橫向壓應(yīng)力峰值與縱向壓應(yīng)力峰值分別為?33.80 MPa、?15.73 MPa。而在當(dāng)X800或X0時(shí)的區(qū)段內(nèi)，1#點(diǎn)的應(yīng)力則呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。在疲勞車輛不斷移動(dòng)過(guò)程中，1#點(diǎn)大多數(shù)都處于受壓狀態(tài)下，只在0～300的區(qū)段內(nèi)存在部分拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在X=0位置處達(dá)最高水平，橫向拉應(yīng)力峰值與縱向拉應(yīng)力峰值分別為2.68 MPa、0.96 MPa。

4.1.2 2#點(diǎn)應(yīng)力水平對(duì)比

對(duì)不同疲勞車輛位置下2#點(diǎn)的橫、縱向應(yīng)力水平變化作為研究對(duì)象展開(kāi)分析，主要工況條件下的應(yīng)力分析值如表2所示。2#點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)在?250～?300的區(qū)間內(nèi)。

疲勞車輛移動(dòng)過(guò)程中2#點(diǎn)應(yīng)力水平的變化與1#點(diǎn)比較類似，都大致為曲線關(guān)系。豎向應(yīng)力的最小值在X=?500位置附近出現(xiàn)，約為?10.74 MPa;而最大值在X=0位置附近出現(xiàn)，約為0.57 MPa。同時(shí)縱向應(yīng)力的最小值在X=?400位置附近出現(xiàn)，約為?3.62 MPa;在X800或X0的區(qū)段內(nèi)，2#點(diǎn)的應(yīng)力則呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。根據(jù)不同疲勞荷載位置下1#與2#點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)可以得出，車輪輪壓作用于縱向U肋腹板位置處時(shí)其受力最為不利。

4.2 A、B、C點(diǎn)應(yīng)力水平對(duì)比

4.2.1 A點(diǎn)應(yīng)力水平分析

不同橫向荷載作用位置下A點(diǎn)應(yīng)力幅的變化趨勢(shì)與1#點(diǎn)基本類似。橫向、縱向應(yīng)力的最大值均在X=?300位置附近出現(xiàn)，是結(jié)構(gòu)最為不利的狀態(tài)。所以，可將X=?300 mm定為疲勞車輛作用的最不利橫向位置。將A點(diǎn)作為分析原點(diǎn)，當(dāng)疲勞車輛位于?300～1 500 cm的區(qū)段內(nèi)以20 cm作為行駛步長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)，疲勞荷載作用于A點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)力要遠(yuǎn)高于作用于其他位置時(shí)。當(dāng)作用點(diǎn)與A點(diǎn)間距大于1 m時(shí)，應(yīng)力則處于接近于0的水平，當(dāng)作用點(diǎn)位于A點(diǎn)上時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大水平，這也表明A點(diǎn)處的縱向影響線比較短。

4.2.2 B點(diǎn)應(yīng)力水平分析

B點(diǎn)表征著正交異性鋼橋面板縱向U肋與頂板之間的焊縫位于U肋焊趾處的疲勞細(xì)節(jié)[5]。分析結(jié)果表明，這一位置發(fā)生疲勞破壞的形式大多為焊趾的縱向開(kāi)裂，且可將裂縫分布方向與豎向正應(yīng)力看作近似垂直。

B點(diǎn)豎向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在X=?600 mm的位置附近，所以，可將X=?600 mm定為疲勞車輛作用的最不利橫向位置。將B點(diǎn)作為分析原點(diǎn)，當(dāng)疲勞車輛位于?500～

1 500 cm的區(qū)段內(nèi)以20 cm作為行駛步長(zhǎng)移動(dòng)，其他布置與A點(diǎn)相同，發(fā)現(xiàn)疲勞荷載作用于B點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)力要遠(yuǎn)高于作用于其他位置時(shí)的水平。當(dāng)作用點(diǎn)與B點(diǎn)間距大于0.3 m時(shí)，應(yīng)力則處于接近于0的水平，當(dāng)作用點(diǎn)位于B點(diǎn)上時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大水平。

4.2.3 C點(diǎn)應(yīng)力水平分析

C點(diǎn)表征著正交異性鋼橋面板橫隔板與縱向U肋焊接端部的疲勞細(xì)節(jié)。這一位置存在比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中與初始缺陷問(wèn)題，在較高水平荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋，裂縫分布方向與主應(yīng)力基本垂直。由計(jì)算可以得知C點(diǎn)處的橫向應(yīng)力xσ相較于豎向應(yīng)力yσ與縱向應(yīng)力zσ較小，為簡(jiǎn)化分析可不納入考慮范圍。

C點(diǎn)豎向、縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在X=?200 mm和X=?700 mm的位置附近，所以可分別將X=?200和X=?700 mm定為疲勞車輛作用的最不利橫向位置。將C點(diǎn)作為分析原點(diǎn)，當(dāng)疲勞車輛位于?600～600 cm的區(qū)段內(nèi)以20 cm作為行駛步長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)，疲勞荷載作用于C點(diǎn)直至破壞的循環(huán)次數(shù)比A點(diǎn)更多，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于橫隔板處影響線比較短，在循環(huán)荷載作用下循環(huán)次數(shù)就會(huì)更多。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文以我國(guó)某工程案例為基礎(chǔ)展開(kāi)分析，借助有限元分析法計(jì)算分析了結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及疲勞強(qiáng)度，得到主要結(jié)論有：

（1）對(duì)1#和2#兩個(gè)不同關(guān)鍵點(diǎn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，1#點(diǎn)分析得到的應(yīng)力幅遠(yuǎn)高于其他關(guān)鍵點(diǎn)，且同時(shí)伴隨產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題;1#關(guān)鍵點(diǎn)的橫、縱向正應(yīng)力與恒載橫向位置之間存在明顯的線性相關(guān)性。當(dāng)橫向荷載作用在A點(diǎn)位置時(shí)，2#點(diǎn)才受到荷載作用的影響，而當(dāng)X=?800，橫向荷載的影響則十分微弱。當(dāng)荷載作用位置從X=?300靠近時(shí)，2#點(diǎn)的應(yīng)力水平處于不斷上升的狀態(tài)，且在X=0位置達(dá)到峰值;當(dāng)荷載作用位置從X=?800向遠(yuǎn)離2#點(diǎn)方向移動(dòng)時(shí)，2#點(diǎn)處應(yīng)力可視為0。

（2）對(duì)細(xì)節(jié)A、B、C及主要關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度分析可以得出正交異性鋼橋面板頂板與U肋焊縫的焊趾、橫隔板與U肋焊接處的疲勞細(xì)節(jié)的橫向、縱向影響線均很短。這些位置在疲勞荷載作用下表現(xiàn)出十分突出的敏感性，應(yīng)力幅比較大，是疲勞裂紋的高發(fā)位置[6]。由于橫隔板與U肋焊接處疲勞細(xì)節(jié)影響線比U肋與頂板焊接處疲勞細(xì)節(jié)影響線更短，所以在疲勞荷載下C點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)明顯高于A、B點(diǎn)，且其應(yīng)力變化趨勢(shì)也更緩。

參考文獻(xiàn)

[1]屠義偉， 趙際軍. 大縱肋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法研究[J]. 公路工程， 2019（3）： 69-73.

[2]張清華， 卜一之， 李喬. 正交異性鋼橋面板疲勞問(wèn)題的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2017（3）： 14-30+39.

[3]李芹子. 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)方法研究[D]. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué)， 2014.

[4]韋偉， 陳齊風(fēng). 輪載下鋼橋正交異性橋面板疲勞應(yīng)力分析[J]. 西部交通科技， 2015（10）： 41-46.

[5]黃祖慰， 雷俊卿， 桂成中， 等. 斜拉橋正交異性鋼橋面板疲勞試驗(yàn)研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2019（6）： 1071-1082.

[6]李自林， 連延金， 劉治德. 公路橋梁正交異性鋼橋面板關(guān)鍵部位疲勞應(yīng)力分析[J]. 鐵道建筑， 2013（11）： 13-15.

收稿日期：2022-01-14

作者簡(jiǎn)介：劉冉（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程設(shè)計(jì)。