考慮拼接缺口影響的鋼橋面板弧形缺口位置應力分析

陳健 王昊 王贊

摘 要

為研究鋼橋面板橫隔板靠近頂板位置弧形缺口下方施工拼接缺口對橫隔板-U肋交叉位置疲勞細節(jié)受力性能的影響，在ABAQUS中建立考慮施工缺口的有限元節(jié)段模型，分析橫隔板焊趾、U肋焊趾以及弧形缺口凈截面最小位置的應力狀態(tài)，同時對比分析有無缺口情況下各構(gòu)造細節(jié)的應力時程。研究結(jié)果表明：拼接施工缺口對各構(gòu)造細節(jié)的影響程度與細節(jié)和缺口之間的距離成負相關(guān)，靠近缺口位置的U肋焊趾應力差值最大，施工缺口增大了此處的疲勞應力，對于橫隔板焊趾以及弧形缺口凈截面最小位置，拼接施工缺口的影響可以忽略不計。

關(guān)鍵詞

鋼橋面板;弧形缺口;拼接缺口;應力

中圖分類號： U441.4 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.093

0 引言

正交異性鋼橋面板由縱肋、頂板以及橫隔板等組成，是鋼箱梁的主要承重結(jié)構(gòu)[1]。但鋼橋面板構(gòu)造復雜，構(gòu)件之間多采用焊接連接，車輛荷載循環(huán)作用下，焊縫位置易出現(xiàn)疲勞裂紋，且裂紋擴展較快影響結(jié)構(gòu)的安全性能[2-4]。

國內(nèi)外學者針對鋼橋面板弧形缺口細節(jié)的疲勞損傷情況開展了大量的理論和實驗研究，研究結(jié)果表明：弧形缺口屬于鋼橋面板薄弱區(qū)，裂紋主要萌生于橫隔板-U肋圍焊端部，大多沿橫隔板母材以及橫隔板焊趾擴展[5-6]。施工過程中存在施工工序的特殊設(shè)計，例如便于橫隔板與U肋拼接的弧形缺口下方拼接缺口對橫隔板-U肋交叉處受力性能的影響尚不明確

本文在ABAQUS中建立考慮拼接施工缺口的有限元節(jié)段模型，施加標準疲勞車荷載，分析橫隔板焊趾、U肋焊趾以及弧形缺口凈截面最小位置的應力狀態(tài)，同時對比分析有無缺口情況下各構(gòu)造細節(jié)的應力時程，確定施工缺口對鋼橋面板疲勞性能的影響程度。

1 有限元模型

1.1 模型建立

建立正交異性鋼橋面板的節(jié)段模型，選取一個鋼箱梁節(jié)段長度的4道橫隔板和7道U肋，鋼橋面板和鋪裝層縱向長度為15m，橫向?qū)挾葹?.5m，橫隔板高度為1.5m，鋼橋面板有限元模型各構(gòu)件尺寸參數(shù)參照大跨徑鋼箱梁橋的設(shè)計圖紙。采用Q345qD型號鋼材，鋼材的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3;鋪裝層彈性模量為1000MPa，泊松比為0.3?？紤]施工缺口影響的子模型包括1根U肋，橫向尺寸為600mm，豎向和縱向尺寸均為500mm。全局模型采用C3D8R八節(jié)點六面體單元建模，模型中的全局網(wǎng)格種子尺寸為50mm，對子模型橫隔板-U肋圍焊構(gòu)造細節(jié)以及頂板焊縫構(gòu)造細節(jié)進行網(wǎng)格加密，子模型全局尺寸為20mm，網(wǎng)格加密尺寸為1mm，模型網(wǎng)格布置如圖1所示。

約束橫隔板邊界的所有平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度，約束頂板、U肋和縱隔板邊界的所有平動自由度，同時，子模型約束與全局簡化模型接觸位置邊界條件，且邊界條件設(shè)置參數(shù)由全局模型計算結(jié)果決定。

1.2 荷載工況

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）中提出的標準疲勞車荷載模型，每根軸重120kN，單側(cè)車輪軸載為60kN，考慮到疲勞車影響線較短，在有限元分析時采用單側(cè)車輪荷載施加，荷載作用面積為600mm（橫向）×200mm（縱向）且荷載集度為0.5MPa。在Visual Studio中利用FORTRAN編制DLOAD子程序進行車輪加載，橫橋向作用在縱隔板右側(cè)三根U肋正上方，縱橋向作用在3道橫隔板之間，從橫隔板A向橫隔板C移動，設(shè)置51個荷載分析步，荷載步步長為150mm，如圖2所示。

2 縱橋向最不利荷載位置

弧形缺口位置的拼接施工缺口改變了U肋的整體剛度，車輛荷載作用下的最不利位置可能隨有無缺口而發(fā)生改變，提取頂板焊縫橫隔板焊趾、橫隔板弧形缺口焊縫U肋焊趾、橫隔板焊趾和弧形缺口薄弱截面處隨荷載縱橋向移動的Mises應力，如圖3所示?？v橋向以B號橫隔板為坐標原點，C號橫隔板方向為正方向，橫隔板之間間距為3750mm。

由圖3a可知，在有缺口工況下，頂板焊縫橫隔板焊趾、弧形缺口焊縫U肋焊趾、弧形缺口焊縫橫隔板焊趾處的Mises應力呈現(xiàn)非對稱雙峰值分布，弧形缺口薄弱截面處的Mises應力呈現(xiàn)非對稱單峰值分布。縱向加載最不利位置均為荷載中心偏離B號橫隔板中心300mm處。由圖3b可知，在無內(nèi)隔板荷載工況下，弧形缺口焊縫U肋焊趾、橫隔板焊趾與弧形缺口薄弱截面處的Mises應力呈現(xiàn)非對稱雙峰值分布，頂板焊縫橫隔板焊趾處的Mises應力呈現(xiàn)非對稱單峰值分布?？v向加載最不利位置均為荷載中心偏離B號橫隔板中心300mm處。綜上所述，四個疲勞易開裂關(guān)注點在縱向車輪荷載作用下，有缺口和無缺口兩種情況的最不利荷載位置都為荷載中心偏離B號橫隔板中心300mm處，施工缺口對最不利荷載位置沒有影響。

3 最大主應力分析

考慮到頂板焊縫的應力水平較低，且距離缺口位置較遠，因此可以判斷缺口對于頂板焊縫的疲勞應力影響可以忽略不計，僅考慮缺口對橫隔板焊趾、U肋焊趾以及弧形缺口凈截面最小位置疲勞應力的影響。

3.1 U肋焊趾

提取U肋焊趾的最大主應力，同時截取最不利車輛荷載作用下U肋焊趾位置的主應力方向，如圖4所示。

由圖可知，U肋焊趾最大主應力為主拉應力且方向垂直于焊趾位置，與現(xiàn)有U肋焊趾開裂方向垂直，符合實橋裂紋擴展規(guī)律。施工缺口的出現(xiàn)導致橫隔板-U肋焊縫U肋焊趾位置的最大主拉應力整體呈現(xiàn)增大的趨勢，且原最大主拉應力為62MPa，考慮施工缺口的影響，現(xiàn)最大主拉應力增大為73MPa。但施工缺口對U肋焊趾縱橋向最大主拉應力影響線以及應力變化趨勢沒有影響，考慮到U肋焊趾的疲勞強度為91MPa，應力增大，施工缺口對此處主拉應力的增大作用削弱了U肋焊趾的疲勞性能。

3.2 橫隔板焊趾與弧形缺口凈截面最小處

提取橫隔板-U肋圍焊以及弧形缺口凈截面最小處的最大主應力，同時截取最不利車輛荷載作用下橫隔板-U肋圍焊位置以及弧形缺口的主應力方向，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，橫隔板焊趾最大主應力為主拉應力且方向與圍焊面平行垂直于橫隔板焊趾方向，與實橋檢測橫隔板-U肋圍焊位置疲勞開裂方向垂直，符合實橋裂紋擴展規(guī)律。施工缺口的出現(xiàn)導致橫隔板-U肋焊縫橫隔板焊趾位置的最大主拉應力整體呈現(xiàn)略微增大的趨勢，應力差值在3MPa以內(nèi)。且施工缺口對橫隔板焊趾縱橋向最大主拉應力影響線以及應力變化趨勢沒有影響，因此可以判斷施工缺口對橫隔板焊趾的影響可以忽略不計。

由圖6可知，弧形缺口最大主應力為主壓應力且方向與弧形缺口邊界平行垂直于弧形缺口法向方向，考慮到此處存在大量的殘余拉應力，易出現(xiàn)疲勞裂紋且主壓應力方向與實橋檢測弧形缺口位置疲勞開裂方向垂直，符合實橋裂紋擴展規(guī)律[7]。施工缺口的出現(xiàn)導致弧形缺口位置的最大主壓應力差值在2MPa以內(nèi)，且縱橋向影響線以及應力變化趨勢沒有影響，因此可以判斷施工缺口對弧形缺口凈截面最小位置的影響可以忽略不計。

4 結(jié)論

（1）拼接施工缺口對頂板焊縫、橫隔板-U肋焊縫橫隔板焊趾以及弧形缺口凈截面最小位置疲勞性能的影響較小，可以忽略不計。

（2）施工缺口減弱了橫隔板與U肋的整體連接剛度，使得橫隔板與U肋交叉位置U肋焊趾的疲勞應力增幅接近20%，降低了U肋焊趾的疲勞性能。

（3）考慮到疲勞裂紋持續(xù)擴展對橫隔板整體剛度的削弱，應提前對弧形缺口下方的拼接施工缺口進行加固。

參考文獻

[1]Fu Z，Wang Y，Ji B，et al.Effects of multiaxial fatigue on typical details of orthotropic steel bridge deck[J].Thin-Walled Structures，2019，135：137-146.

[2]Pfeil M S，Battista R C， Mergulho A J R.Stress concentration in steel bridge orthotropic decks[J].Journal of Constructional Steel Research，2005，61（8）：1172-1184.

[3]Ji B H，Chen D H，Ma L，et al.Research on Stress Spectrum of Steel Decks in Suspension Bridge Considering Measured Traffic Flow[J].Journal of Performance of Constructed Facilities，2012，26（1）：65-75.

[4]吉伯海，田圓，傅中秋，等.正交異性鋼橋面板橫隔板切口疲勞應力幅分析[J].工業(yè)建筑，2014，44（5）：128-131.

[5]土木學會剛構(gòu)造委員會.厚板溶接継手に関する調(diào)査研究小委員會報告書[R]. 日本，2007.

[6]李立峰，張東波，袁卓亞，等.正交異性鋼橋面板中弧形缺口的受力分析[J].公路交通科技，2012，29（4）：55-61.

[7]薛連奇，田欣，黎天馗，等.正交異性鋼橋面板焊接殘余應力研究及其對疲勞開裂的影響[J].四川建筑，2017，37（4）：156-161.