鋼板組合梁橋主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力特征

劉青茹,吉伯海,姚 悅,傅中秋

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

鋼板組合梁橋由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)、工業(yè)化生產(chǎn)程度高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的橋梁建設(shè)中[1-3]。鋼板組合梁橋早期常采用多根鋼主梁的結(jié)構(gòu)形式,鋼主梁間設(shè)置密集的小橫梁以及橫聯(lián)和平聯(lián)加強(qiáng)連接,鋼梁腹板上焊接眾多縱向、橫向加勁肋以防止失穩(wěn),造成構(gòu)件受力路徑不明確且不能充分發(fā)揮作用、工廠制作費(fèi)用高、施工周期長、后期橋梁管養(yǎng)難度大等不足。隨后經(jīng)過簡化構(gòu)造設(shè)計(jì),逐漸形成現(xiàn)有的一種雙主梁鋼板組合梁橋,兩根鋼主梁之間采用更為簡化的橫梁結(jié)構(gòu)形式,小橫梁形式的雙主梁鋼板組合梁橋成為中小跨徑橋梁設(shè)計(jì)的主流方案。中華人民共和國交通運(yùn)輸部也發(fā)布了《鋼板組合梁橋通用圖》[4],推薦采用小橫梁形式的雙主梁作為主梁形式。然而,根據(jù)早期國外鋼橋病害調(diào)研,主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)的疲勞問題突出,疲勞開裂特征復(fù)雜,開裂類型多樣,長裂紋可能撕裂腹板,影響結(jié)構(gòu)安全[5-6]。

我國早期的鋼板組合梁橋在受拉翼緣和豎向加勁肋直接相連的焊接細(xì)節(jié)處發(fā)生疲勞失效,為避免該問題,豎向加勁肋不與受拉翼緣直接連接,即在豎向加勁肋端部與主梁受拉翼緣之間設(shè)置一段橫向不受支撐的間隙,由于該部位的局部剛度出現(xiàn)了明顯的減弱,會(huì)出現(xiàn)局部高應(yīng)力,導(dǎo)致疲勞開裂的產(chǎn)生[7-9]。國內(nèi)外學(xué)者針對腹板間隙的疲勞開裂成因開展了若干研究[10-12]。在車輛荷載橫向傳遞過程中,相鄰主梁之間會(huì)產(chǎn)生豎向位移差,導(dǎo)致橫向連接構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng),引起腹板間隙處面外變形,導(dǎo)致該細(xì)節(jié)產(chǎn)生較大應(yīng)力[13]。腹板間隙在不斷經(jīng)受面外變形和大幅循環(huán)應(yīng)力情況下,很容易萌生疲勞裂紋并造成疲勞裂紋快速擴(kuò)展[14-15]。文獻(xiàn)[16]研究表明,鋼橋發(fā)生疲勞破壞主要由承受的荷載和面外變形造成,鋼橋中平面外變形疲勞約占全部疲勞裂紋的90%。該類型的疲勞問題成為鋼橋疲勞研究的重點(diǎn),以Fisher等[17]為代表的外國學(xué)者對此進(jìn)行了深入的研究,研究表明大多數(shù)疲勞裂紋萌生在應(yīng)力集中嚴(yán)重的橫向連接板端部。同時(shí),中國一些學(xué)者也對這一熱點(diǎn)問題進(jìn)行了研究[10]。黃僑等[18]綜合介紹了鋼橋的面外變形疲勞成因及針對性的措施。對于后期雙主梁鋼板組合梁橋主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)的疲勞問題,王鵬[19]應(yīng)用有限元軟件ANSYS對某小型簡支鋼梁橋進(jìn)行模擬分析,討論了橫梁、腹板及連接處等細(xì)部構(gòu)造對腹板間隙處面外變形疲勞性能的影響效果,并對腹板間隙疲勞開裂問題提出了優(yōu)化措施?，F(xiàn)有研究已明確導(dǎo)致腹板間隙開裂的主要原因是車輛荷載作用下主梁間的豎向位移差,從而引起腹板間隙的面外變形。但由于早期研究所針對的鋼板梁結(jié)構(gòu)形式與正在推廣的通用圖存在一定差異,如橫向連接系形式不同。因此,腹板與豎向加勁肋連接部位的具體受力特征、關(guān)鍵受力部位仍需要進(jìn)一步確定。

本文圍繞小橫梁形式的雙主梁鋼板組合梁橋主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)的疲勞問題,通過建立疲勞荷載下的工字形鋼板組合梁橋有限元整體模型,明確疲勞車荷載不同位置對雙主梁豎向位移差的影響,鋼板組合梁橋在支承處為避免疲勞裂紋的出現(xiàn)而不設(shè)腹板間隙,重點(diǎn)研究非支承部位小橫梁及無橫梁處主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)處的疲勞應(yīng)力,通過建立小橫梁與無橫梁處主梁節(jié)段模型,對主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)各點(diǎn)的疲勞應(yīng)力特征進(jìn)行分析,探究主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)的疲勞易損部位,為鋼板梁橋的疲勞研究提供參考。

1 有限元建模

1.1 整體模型

采用ABAQUS有限單元分析軟件進(jìn)行四跨連續(xù)梁橋建模分析,如圖1所示。根據(jù)《鋼板組合梁橋通用圖》[4]建立四跨連續(xù)鋼板組合梁橋整體模型,主梁采用雙主梁結(jié)構(gòu)形式,橋?qū)挒?2.25 m,主梁間距為6.75 m,鋼梁高度為1.75 m,組合梁高度為2.15 m。主梁之間采用橫梁形式,跨內(nèi)橫梁為小橫梁,中支點(diǎn)橫梁B、C、D為中橫梁,端支點(diǎn)橫梁A、E為大橫梁,橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為7 m,豎向加勁肋均勻分布在全橋,間距為2.3～2.4 m。

圖1 鋼板組合梁橋整體模型

為便于計(jì)算分析,全橋模型選取等截面形式,不考慮主梁上下翼緣以及腹板的厚度變化,僅考慮豎向加勁肋以及橫向連接系的構(gòu)造變化。鋼主梁采用工字形直腹板鋼梁,鋼材型號(hào)為Q345,有限元模型中不考慮鋼主梁與鋼筋混凝土橋面板之間的滑移,采用Tie連接方式(在剛度數(shù)據(jù)傳遞上相當(dāng)于兩個(gè)面剛性連接,綁定區(qū)域不發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)和變形,剛度較大;在約束形式上Tie約束為面對面的約束,主要是用于點(diǎn)和面以及面與面之間的綁定約束)。小橫梁、無橫梁處主梁截面采用如圖2所示橫截面尺寸。

圖2 橋梁橫截面(mm)

模型整體采用實(shí)體建模,單元類型為C3D8R,橋面板網(wǎng)格尺寸為100 mm,鋼主梁網(wǎng)格尺寸為50 mm。簡化鋼筋混凝土橋面板為各向同性材料,彈性模型選取鋼筋混凝土等效值,密度為0.25 g/cm3,彈性模量為35.5 GPa,泊松比為0.2;主梁Q345鋼材彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。

1.2 節(jié)段模型

為了更深入地研究主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力,選取圖1縱向長度均為1 m的右邊跨節(jié)段Ⅰ無橫梁處主梁與右中跨節(jié)段Ⅱ小橫梁處主梁作為節(jié)段模型,尺寸為12.25 m×1 m×2.16 m。主梁腹板厚度20 mm,腹板間隙高度50 mm,焊腳尺寸12 mm。無橫梁處豎向加勁肋寬280 mm、厚16 mm;小橫梁處橫梁高400 mm,豎向加勁肋寬350 mm、厚20 mm。節(jié)段模型采用C3D8R單元,在整體模型的基礎(chǔ)上,細(xì)化節(jié)段模型腹板間隙尺寸,更精確地分析腹板間隙應(yīng)力情況。圍焊端部與焊縫高度網(wǎng)格尺寸為2 mm,豎向加勁肋與上翼緣的連接焊縫長度的網(wǎng)格尺寸為5 mm,腹板與豎向加勁肋焊縫長度的網(wǎng)格尺寸為10 mm,腹板與上翼緣的連接焊縫長度的網(wǎng)格尺寸為10 mm,工字梁其余細(xì)節(jié)網(wǎng)格尺寸為25 mm,橫向連接系中部網(wǎng)格尺寸為100 mm。無橫梁處主梁節(jié)段模型與小橫梁處主梁節(jié)段模型分別如圖3所示。

圖3 節(jié)段模型

圖4 順橋向加載工況

圖5 橫橋向加載工況(mm)

1.3 加載工況

疲勞荷載選用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)中的單車模型。疲勞車的軸間距為1.2 m+6 m+1.2 m,車輪間距為2 m,雙輪面積為0.6 m×0.2 m,單側(cè)軸重為120 kN。采用標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載作為分析荷載,疲勞車荷載加載位置按照圖4和5進(jìn)行布載。

為了研究偏心荷載在通過橋梁時(shí)主梁的相對豎向位移以及腹板與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)處的應(yīng)力變化,取鋼主梁腹板與下翼緣連接處為計(jì)算分析點(diǎn),將荷載按照順橋向加載157個(gè)工況和橫橋向加載8個(gè)工況下對整體模型與節(jié)段模型分別計(jì)算鋼主梁豎向位移差及腹板與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)應(yīng)力的變化。

順橋向加載(即縱向加載)考慮橋梁結(jié)構(gòu)的對稱性,按照順橋向?qū)⑵谲嚭奢d從未上橋到移動(dòng)通過全橋跨中位置。工況1是疲勞車荷載的前輪上橋后順橋向移動(dòng)500 mm處(即縱向位置500 mm);工況2是疲勞車荷載在工況1基礎(chǔ)上繼續(xù)順橋向移動(dòng)500 mm處,之后155個(gè)加載工況依次將疲勞車荷載順橋向移動(dòng)500 mm,共157個(gè)加載工況。圖4展示了順橋向加載第1和157個(gè)工況疲勞車荷載的縱向位置。

橫橋向加載(即橫向加載)是按照疲勞車荷載縱向中軸線偏離橋梁縱向中軸線不同距離(疲勞車荷載偏移距離)的加載,如圖5所示。工況Ⅰ為疲勞車荷載偏移400 mm(即橫向位置400 mm),工況Ⅱ?yàn)槠谲嚭奢d偏移800 mm,之后6個(gè)加載工況依次將疲勞車荷載偏移400 mm,共8個(gè)加載工況。

2 主梁豎向位移差分析

2.1 縱向加載下主梁豎向位移差

主梁之間的豎向位移差是導(dǎo)致鋼板梁出現(xiàn)疲勞裂紋的主要原因,因此對不同車輛荷載位置下的雙主梁豎向位移進(jìn)行研究,明確受力不利的主梁及不利的縱、橫向荷載位置。由于車道中心線與橋梁縱軸線并不重合,加上車輛行駛的隨機(jī)性,當(dāng)車輛荷載作用在結(jié)構(gòu)上后,兩主梁不可避免地發(fā)生相對豎向位移。為研究兩主梁豎向位移差分布特征,選取疲勞荷載偏移1 200 mm的工況Ⅲ,從整體模型中提取右邊跨及右中跨跨內(nèi)無橫梁及小橫梁處兩主梁的豎向位移,并計(jì)算每個(gè)無橫梁截面和小橫梁截面處兩主梁之間的豎向位移差,結(jié)果見圖6,無橫梁截面和小橫梁截面順橋向編碼從1至28,如圖7所示。

圖6 縱向加載下主梁豎向位移差

由圖6(a)和6(b)可得:疲勞荷載位于右邊跨跨內(nèi)時(shí),右邊跨的兩主梁相對豎向位移表現(xiàn)明顯;疲勞荷載位于右中跨跨內(nèi)時(shí),右中跨的兩主梁相對豎向位移表現(xiàn)明顯。疲勞荷載位于跨中位置附近時(shí)對兩主梁相對豎向位移影響較大,且在疲勞荷載作用下,引起跨中附近兩主梁豎向位移差總是較其他位置處更大。由圖6(c)可得:兩主梁最大豎向位移差在單跨范圍內(nèi)呈先增大后減小趨勢,最大值出現(xiàn)在單跨跨中附近。由于連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),疲勞荷載只有位于所研究節(jié)段主梁所處的某跨上才會(huì)對該跨主梁的豎向位移差有明顯影響,因此,縱向荷載對主梁豎向位移差的影響范圍在單跨以內(nèi)。疲勞荷載位于跨中位置附近的加載工況會(huì)引起兩主梁較大的豎向位移差,且跨中位置附近是產(chǎn)生最大豎向位移差的不利位置。

2.2 橫向加載下主梁豎向位移差

選取雙主梁鋼板梁右邊跨跨中無橫梁截面7和右中跨小橫梁截面20的腹板與下翼緣連接細(xì)節(jié)處,分別提取兩主梁的豎向位移,計(jì)算不同橫向位置下疲勞荷載引起的雙主梁豎向位移差,研究疲勞荷載橫向位置對雙主梁豎向位移差的影響,結(jié)果見圖8。

圖7 橫梁截面順橋向編碼

圖8 橫向加載下主梁豎向位移差

由圖8可得:當(dāng)疲勞荷載縱向位置位于右邊跨跨內(nèi)時(shí),無橫梁截面7處主梁相對豎向位移表現(xiàn)明顯。當(dāng)疲勞荷載縱向位置位于右中跨跨內(nèi)時(shí),小橫梁截面20處主梁相對豎向位移表現(xiàn)明顯,這與2.1節(jié)結(jié)論相符。隨著疲勞荷載橫向位置加大(即從工況Ⅰ到工況Ⅷ),主梁豎向位移差增大。

將圖8截面7和20處主梁在不同荷載橫向位置上的最大豎向位移差進(jìn)行對比,結(jié)果見圖9。由圖9可得:隨著荷載橫向位置的增大,雙主梁之間的最大豎向位移差呈增大趨勢。無橫梁處主梁因雙主梁之間約束性相對較弱,兩主梁獨(dú)立性相對較強(qiáng),因此雙主梁之間的豎向位移差增幅更明顯;而小橫梁處主梁因主梁受到橫向連接系的約束,豎向位移差增幅相對有所減小。隨疲勞荷載橫向位置的加大,無橫梁處主梁較小橫梁處主梁最大豎向位移差及其增幅都較大。由于截面7和20處主梁所處位置及結(jié)構(gòu)不同,小橫梁處與無橫梁處主梁的約束及豎向位移差存在明顯差異,可能導(dǎo)致不同橫向連接系類型下主梁受力特征的差異。因此,分別對兩類主梁關(guān)鍵連接部位的應(yīng)力特征進(jìn)行分析。

圖9 橫向加載下主梁最大豎向位移差

3 主梁與加勁肋連接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力特征

3.1 主梁與加勁肋連接細(xì)節(jié)的應(yīng)力

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的對稱性,因此只研究橋梁右邊跨及右中跨主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)的應(yīng)力情況。為研究在豎向位移差下引起的主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力,比較小橫梁與無橫梁處疲勞應(yīng)力特征與差異,結(jié)合實(shí)橋檢測所發(fā)現(xiàn)的裂紋位置,從截面7和20處主梁節(jié)段模型Ⅰ、Ⅱ中選擇6個(gè)分析點(diǎn),如圖10所示。點(diǎn)1和2為主梁腹板與豎向加勁肋圍焊端部的加勁肋焊趾處和腹板焊趾處,點(diǎn)3為主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處,點(diǎn)4、5、6分別位于點(diǎn)1、2、3關(guān)于主梁腹板的外表面。

圖10 主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)分析點(diǎn)示意

采用橫向加載工況Ⅲ,分別提取無橫梁截面7與小橫梁截面20處主梁節(jié)段模型各分析點(diǎn)最大主應(yīng)力,主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)各分析點(diǎn)位置隨著車輛縱向移動(dòng)時(shí),最大主應(yīng)力變化如圖11所示。由圖11可得:與荷載縱向位置對豎向位移差的影響相同,荷載縱向位置對主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力的影響范圍為荷載所在跨范圍內(nèi)。

從圖11(a)可以得到:無橫梁截面7處，主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)點(diǎn)3處的最大主應(yīng)力較其他位置更大,且最大主應(yīng)力始終表現(xiàn)為拉應(yīng)力,對疲勞性能極為不利,而腹板外表面對應(yīng)點(diǎn)6處的最大主應(yīng)力在受影響的跨內(nèi)大多以明顯較小的壓應(yīng)力為主。點(diǎn)1和2處的最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力且始終保持壓應(yīng)力,應(yīng)力也明顯較小,而腹板外表面對應(yīng)點(diǎn)4和5處的最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力且始終保持拉應(yīng)力,應(yīng)力小于點(diǎn)3處。因此,主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處為無橫梁截面7處主梁的易疲勞位置。

從圖11(b)可以得到:小橫梁截面20處，主梁與豎向加勁肋連接細(xì)節(jié)點(diǎn)1和2處的最大主應(yīng)力較其他位置更大,且表現(xiàn)為拉應(yīng)力,對疲勞性能極為不利,而腹板外表面對應(yīng)點(diǎn)4和5處的最大主應(yīng)力大多表現(xiàn)為應(yīng)力很小的拉應(yīng)力。點(diǎn)3處的最大主應(yīng)力在受影響的跨內(nèi)大多以明顯較小的壓應(yīng)力為主,而腹板外表面對應(yīng)點(diǎn)6處的最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力且始終保持拉應(yīng)力,應(yīng)力小于點(diǎn)1與2處。 因此,主梁腹板與豎向加勁肋圍焊端部的焊趾處為小橫梁截面20處主梁的易疲勞位置。

圖11 連接細(xì)節(jié)分析點(diǎn)最大主應(yīng)力

相對于無橫梁處主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處(點(diǎn)3)的最大主拉應(yīng)力,小橫梁處主梁腹板與豎向加勁肋圍焊端部的焊趾處(點(diǎn)1和2)的最大主拉應(yīng)力都明顯較高;且與無橫梁處相比,小橫梁處腹板外表面點(diǎn)4和5的應(yīng)力都明顯較小;另外點(diǎn)6處總是與對應(yīng)點(diǎn)3處的主應(yīng)力的拉壓性質(zhì)相反,表現(xiàn)為平面外變形引起。當(dāng)主梁處無橫梁結(jié)構(gòu)時(shí),由于鋼筋混凝土橋面板的約束作用,在兩主梁產(chǎn)生相對位移時(shí)就會(huì)引起主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處有較大拉應(yīng)力,最不利疲勞位置就會(huì)出現(xiàn)在主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處;當(dāng)主梁處有小橫梁結(jié)構(gòu)時(shí),由于小橫梁對兩主梁相對豎向位移的制約作用,導(dǎo)致連接小橫梁的豎向加勁肋與主梁腹板的圍焊端部產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力,導(dǎo)致最不利疲勞位置出現(xiàn)在豎向加勁肋圍焊端部的焊趾處。

3.2 最大主應(yīng)力方向

為了分析主梁與豎向加勁肋下部連接細(xì)節(jié)的最大主應(yīng)力分布情況,選取應(yīng)力較大的點(diǎn)1、2及3所在連接細(xì)節(jié),研究工況Ⅲ及工況Ⅵ無橫梁截面7與小橫梁截面20處主梁的連接細(xì)節(jié)的最大主應(yīng)力矢量圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：荷載橫向位置主要影響兩種工況的最大主應(yīng)力數(shù)值,對最大主應(yīng)力分布的影響并不明顯。因此，提取疲勞荷載工況Ⅲ無橫梁截面7與小橫梁截面20處主梁與豎向加勁肋下部連接細(xì)節(jié)的最大主應(yīng)力矢量圖，如圖12所示(圖中箭頭方向即為主應(yīng)力方向,箭頭長短代表主應(yīng)力大小)。

圖12 連接細(xì)節(jié)最大主應(yīng)力方向

由圖12可知:對于無橫梁截面7處主梁,點(diǎn)3附近最大主應(yīng)力方向與腹板內(nèi)表面大致呈45°夾角,表現(xiàn)為從平行焊縫外壁向平行腹板平面的過渡方向。若在長期荷載反復(fù)作用下經(jīng)受循環(huán)拉應(yīng)力的作用,連接焊縫將成為無橫梁處主梁的疲勞易損部位;對于小橫梁截面20處主梁,點(diǎn)1和2附近最大主應(yīng)力方向基本平行于焊縫外壁,對端部焊縫的疲勞性能極為不利,若該部位存在焊接缺陷,則會(huì)沿著垂直焊縫表面的方向出現(xiàn)疲勞裂紋,這與實(shí)橋檢測鉆芯取樣得到的疲勞裂紋開裂深度方向特征一致[20]。

對于無橫梁處與小橫梁處主梁,主梁與豎向加勁肋下部連接細(xì)節(jié)的最大主應(yīng)力分布存在差異,原因主要是小橫梁結(jié)構(gòu)對兩主梁相對豎向位移的約束作用,導(dǎo)致小橫梁處主梁豎向加勁肋圍焊端部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,成為疲勞易損部位。根據(jù)其主應(yīng)力方向判斷,該細(xì)節(jié)開裂后在深度上會(huì)向腹板厚度擴(kuò)展,嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)貫穿腹板的情況,影響結(jié)構(gòu)的整體安全性能,是鋼板組合梁橋主梁養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的部位。

4 結(jié)論

1)疲勞車荷載縱向和橫向位置對小橫梁形式的鋼板組合梁橋主梁豎向位移差的影響較大,順橋向影響范圍為荷載所在跨范圍內(nèi);隨荷載橫向位置的加大,無橫梁較小橫梁處主梁豎向位移差及其增幅都較大。

2)是否設(shè)置橫向連接系直接影響主梁腹板與加勁肋的開裂部位。無橫梁處主梁在主梁腹板與下翼緣連接焊縫焊趾處的主拉應(yīng)力較大,為無橫梁處主梁的疲勞易損位置;小橫梁處主梁在豎向加勁肋與主梁腹板圍焊端部焊趾處的主拉應(yīng)力較大,為小橫梁處主梁的疲勞易損位置。

3)小橫梁與無橫梁兩種情況下主梁與豎向加勁肋下部連接細(xì)節(jié)的最大主應(yīng)力分布不同,但兩種情況下的最大主拉應(yīng)力方向基本為平行于各自疲勞易損部位的焊縫外壁或呈一定角度,若開裂將在深度上向腹板厚度方向擴(kuò)展,嚴(yán)重時(shí)將貫穿腹板,影響整體安全性能。