斜拉橋鋼箱梁縱桁架疲勞應(yīng)力特征研究

李心誠(chéng) 傅中秋 王 贊 章郝明 吉伯海

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210098)

0 引 言

鋼箱梁因具備輕質(zhì)高強(qiáng)、跨越能力高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大跨徑橋梁[1]，尤其是斜拉橋和懸索橋.但因其構(gòu)造復(fù)雜、應(yīng)力影響線(xiàn)短、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)多等因素，在長(zhǎng)期車(chē)輛荷載作用下疲勞病害逐漸顯現(xiàn)[2-3].疲勞裂紋多出現(xiàn)在鋼箱梁構(gòu)件中易產(chǎn)生應(yīng)力集中的連接焊縫處及其附近局部區(qū)域[4-6].疲勞裂紋的出現(xiàn)對(duì)于橋梁的正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生了重大隱患.

斜拉橋由于承受縱向軸力，通常設(shè)置縱隔板或縱桁架構(gòu)造[7].根據(jù)相關(guān)規(guī)范及技術(shù)資料，鋼箱梁在設(shè)置縱隔板后有效寬度相較于無(wú)縱隔板時(shí)增加30%(支點(diǎn)處)[8]，但在橋梁運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，縱隔板腹桿與節(jié)點(diǎn)板連接處出現(xiàn)大量疲勞裂紋[9]，影響橋梁的正常運(yùn)營(yíng).目前研究大多集中在縱隔板的疲勞性能及縱隔板對(duì)整體結(jié)構(gòu)和鋪裝層的影響方面[10-11]，而設(shè)置縱隔板會(huì)造成附近區(qū)域構(gòu)造細(xì)節(jié)的局部應(yīng)力變化，可能影響鋼箱梁的疲勞性能.因此，有必要研究斜拉橋鋼箱梁縱桁架的疲勞應(yīng)力特征.

文中基于有限元模型，選取評(píng)判開(kāi)裂細(xì)節(jié)疲勞性能的主導(dǎo)應(yīng)力，通過(guò)提取疲勞主導(dǎo)應(yīng)力下關(guān)注點(diǎn)的應(yīng)力影響面，確定最不利工況，分析了斜拉橋鋼箱梁縱桁架的疲勞應(yīng)力特征，為鋼橋日常維護(hù)和疲勞裂紋修復(fù)提供參考.

1 有限元模型

1.1 模型建立

某斜拉橋主梁采用扁平流線(xiàn)型鋼箱梁.鋼箱梁內(nèi)設(shè)置兩道縱隔板，除豎向支承區(qū)、壓重區(qū)和索塔附近梁段采用實(shí)腹板式外，其余均為桁架式，縱桁架形式見(jiàn)圖1.

圖1 縱桁架示意圖(單位：mm)

建立鋼箱梁節(jié)段有限元模型.模型頂板厚14 mm，底板厚12 mm，頂板U肋尺寸為300 mm×300 mm×8 mm，底板U肋尺寸為400 mm×260 mm×6 mm，腹板厚14 mm，橫隔板厚10 mm，橫隔板間距為4 000 mm，角鋼式斜撐的角鋼尺寸為160 mm×14 mm×2 560 mm，與斜撐連接的頂部與底部板件厚度為14 mm.所有構(gòu)件的鋼材采用Q345qD，其彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3.

節(jié)段模型橫向包括四道橫隔板，橫隔板間距為4 000 mm，模型縱向總長(zhǎng)12 800 mm.鋼箱梁節(jié)段橫橋向依據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析.全局網(wǎng)格尺寸設(shè)為100 mm.節(jié)段模型的邊界條件設(shè)為約束節(jié)段兩端的所有平動(dòng)加轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.為保證應(yīng)力分析精度，采用1 mm的網(wǎng)格對(duì)角鋼或槽鋼與頂?shù)装暹B接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.有限元模型示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 有限元模型

1.2 加載工況

依據(jù)文獻(xiàn)[12]給出用于橋面系構(gòu)件疲勞驗(yàn)算的計(jì)算模型III.用于鋼橋面板構(gòu)件疲勞驗(yàn)算的疲勞車(chē)輛荷載模型包括兩個(gè)軸組共四個(gè)車(chē)軸.其中單個(gè)軸組中兩車(chē)軸間的軸距為1.2 m，前后兩個(gè)軸組之間的距離為6 m，某個(gè)車(chē)軸的單側(cè)雙輪車(chē)輪面積為200 mm×600 mm.取擴(kuò)散后的雙輪車(chē)輪直接作用于頂板上的面積為300 mm×700 mm.

以位于縱隔板正上方和橫橋向偏離縱隔板距離設(shè)置17種橫向加載工況，各橫向加載工況間的間距為300 mm，在靠近縱隔板正上方的范圍內(nèi)加密加載工況，各加載工況間的間距設(shè)置為150 mm，見(jiàn)圖3.縱向車(chē)輪從No.1號(hào)橫隔板移動(dòng)至No.4號(hào)橫隔板，縱向加載間距為200 mm，共計(jì)55個(gè)荷載步.

圖3 橫向加載工況示意圖(單位：mm)

2 最不利荷載工況

2.1 疲勞主導(dǎo)應(yīng)力

相關(guān)研究文獻(xiàn)[13-15]表明：切應(yīng)力與正應(yīng)力在疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展過(guò)程中貢獻(xiàn)巨大，切應(yīng)力式裂紋尖端產(chǎn)生循環(huán)滑移而形成微裂紋，而正應(yīng)力具有使裂紋張開(kāi)進(jìn)一步擴(kuò)展的作用.縱桁架角鋼斜撐疲勞起裂部位可分為A、B兩類(lèi)，見(jiàn)圖4.A類(lèi)起裂部位為角鋼腹板一側(cè)與上部板件連接焊縫部位，B類(lèi)起裂部位則為角鋼翼緣一側(cè)與下部板件連接焊縫部位.提取疲勞開(kāi)裂位置的應(yīng)力分量并將其隨縱橋向距離的變化趨勢(shì)繪制成圖5.

圖4 角鋼斜撐起裂部位分類(lèi)

圖5 疲勞應(yīng)力時(shí)程

兩類(lèi)起裂點(diǎn)處的正應(yīng)力S11與S22的變化趨勢(shì)一致，變化曲線(xiàn)整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，切應(yīng)力S12與正應(yīng)力S22的變化趨勢(shì)相反.相比于B類(lèi)起裂點(diǎn)，A類(lèi)起裂點(diǎn)更接近頂板，其受車(chē)輪荷載的影響較大，故A類(lèi)起裂點(diǎn)的應(yīng)力峰值要整體大于B類(lèi)起裂點(diǎn).兩類(lèi)起裂點(diǎn)處的應(yīng)力分量均在荷載接近開(kāi)裂細(xì)節(jié)正上方時(shí)取得應(yīng)力峰值，由于A、B類(lèi)起裂點(diǎn)縱橋向空間位置的差異，B類(lèi)起裂點(diǎn)的應(yīng)力峰值相對(duì)于A類(lèi)向后偏移約500 mm.兩類(lèi)起裂點(diǎn)的應(yīng)力分量在荷載中心跨越No.3號(hào)橫隔板時(shí)均發(fā)生性質(zhì)變化，正應(yīng)力S11和正應(yīng)力S22在荷載中心跨越No.3號(hào)橫隔板前為壓應(yīng)力，在荷載中心跨越No.3號(hào)橫隔板后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，切應(yīng)力S12與正應(yīng)力S11變化規(guī)律相反.

從與疲勞直接相關(guān)的應(yīng)力幅角度看，兩類(lèi)起裂點(diǎn)處各應(yīng)力分量幅值間的相對(duì)規(guī)律類(lèi)似.A類(lèi)開(kāi)裂細(xì)節(jié)中，正應(yīng)力S11的應(yīng)力幅最大為23.36 MPa，正應(yīng)力S22的應(yīng)力幅次之為12.54 MPa，切應(yīng)力S12的應(yīng)力幅最小為6.32 MPa.Mises應(yīng)力幅為17.04 MPa，S11應(yīng)力幅與其最為接近.分析研究中選用正應(yīng)力S11的大小作為評(píng)判開(kāi)裂細(xì)節(jié)疲勞性能.

2.2 應(yīng)力影響面

疲勞起裂點(diǎn)主要位于角鋼腹板一側(cè)與上部板件連接焊縫部位和角鋼翼緣一側(cè)與下部板件連接焊縫部位.角鋼斜撐與上、下部板件采用周邊圍焊連接，焊縫部位均有可能成為疲勞起裂部位.連接邊緣剛度突變處應(yīng)力集中效應(yīng)尤為顯著，選取圖6的疲勞易損的角鋼翼緣G3與G5點(diǎn)，腹板中點(diǎn)G2與G4點(diǎn)，以及腹板端點(diǎn)G1與G3點(diǎn)作為關(guān)注點(diǎn).由于G2與G5點(diǎn)應(yīng)力整體較小且母材的疲勞強(qiáng)度高于焊縫，故提取重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)G1、G3、G4與G6點(diǎn)沿角鋼方向的正應(yīng)力影響面見(jiàn)圖7.

圖6 角鋼斜撐關(guān)注節(jié)點(diǎn)部位

圖7 角鋼斜撐關(guān)注節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)力影響面

從影響面應(yīng)力變化范圍來(lái)看，G1點(diǎn)的應(yīng)力變化范圍大于其他部位，最易發(fā)生疲勞損傷，最易發(fā)生疲勞損傷.G6點(diǎn)影響面的應(yīng)力變化范圍僅次于G1點(diǎn)，G6點(diǎn)是第二大疲勞易損位置.G4以及G3的應(yīng)力幅值也較大.從各應(yīng)力影響面峰值位置來(lái)看，當(dāng)荷載橫橋向位于縱隔板正上方也即G0工況，縱橋向位于距角鋼3 m位置處取得最不利加載位置.

3 縱桁架疲勞應(yīng)力特征

3.1 局部應(yīng)力梯度

實(shí)橋角鋼疲勞裂紋萌生位置見(jiàn)圖8，由圖8可知，疲勞裂紋萌生于連接處的焊縫.圖9為僅考慮局部剛度突變引起的局部應(yīng)力梯度，應(yīng)力隨著與連接端距離的增大而降低，應(yīng)力在距連接段20 mm內(nèi)急劇變化，并在20 mm處趨于平緩變化趨勢(shì)，高應(yīng)力范圍主要位于距離連接端5 mm范圍內(nèi).綜上所述焊縫參差的質(zhì)量及局部剛度突變共同造成了角鋼斜撐在連接焊縫部位的高應(yīng)力集中，使其易發(fā)生疲勞開(kāi)裂或失穩(wěn)斷裂.

圖8 裂紋萌生位置示意圖

圖9 應(yīng)力梯度曲線(xiàn)

3.2 起裂點(diǎn)正應(yīng)力時(shí)程

提取兩類(lèi)起裂點(diǎn)處角鋼內(nèi)外兩側(cè)的正應(yīng)力時(shí)程見(jiàn)圖10，根據(jù)正應(yīng)力時(shí)程針對(duì)A類(lèi)與B類(lèi)起裂點(diǎn)處的疲勞開(kāi)裂主導(dǎo)變形進(jìn)行分析.A、B兩類(lèi)起裂點(diǎn)處的內(nèi)側(cè)與外側(cè)應(yīng)力時(shí)程幾乎重合，說(shuō)明起裂點(diǎn)處角鋼的變形主要發(fā)生在平面內(nèi)，因此起裂點(diǎn)處的面內(nèi)變形是引起角鋼斜撐疲勞開(kāi)裂的主導(dǎo)變形.

圖10 起裂點(diǎn)內(nèi)外應(yīng)力對(duì)比

3.3 主應(yīng)力流

裂紋的擴(kuò)展方向一般與主應(yīng)力垂直，選取絕對(duì)值最大的主應(yīng)力作為評(píng)判多軸疲勞的依據(jù).當(dāng)荷載橫向作用于橫隔板正上方，縱向距離角鋼斜撐3 m處取得最不利位置，加載時(shí)取該位置進(jìn)行最不利工況加載，分析角鋼斜撐重點(diǎn)關(guān)注部位G1、G3、G4和G6處的絕對(duì)值最大的主應(yīng)力流，見(jiàn)圖11.

圖11 重點(diǎn)關(guān)注部位主應(yīng)力流

由圖11可知，角鋼斜撐重點(diǎn)關(guān)注部位絕對(duì)值最大的主應(yīng)力基本沿角鋼長(zhǎng)度方向，垂直于角鋼的剪應(yīng)力效應(yīng)并不顯著.沿垂直于絕對(duì)值最大的主應(yīng)力方向繪制模擬裂紋擴(kuò)展路徑，重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)G1與G6處的模擬裂紋擴(kuò)展路徑與實(shí)橋的擴(kuò)展路徑基本一致.綜合說(shuō)明，角鋼疲勞裂紋預(yù)期擴(kuò)展方向與荷載位于最不利位置時(shí)的主應(yīng)力流方向相垂直.

4 結(jié) 論

1) 疲勞裂紋萌生處局部應(yīng)力隨著與連接端距離的增大而降低，結(jié)合實(shí)橋裂紋開(kāi)展情況，焊縫參差的質(zhì)量以及局部剛度突變共同造成了角鋼斜撐在連接焊縫部位的高應(yīng)力集中，使其易發(fā)生疲勞開(kāi)裂或失穩(wěn)斷裂.

2) A、B兩類(lèi)起裂點(diǎn)處的內(nèi)側(cè)與外側(cè)應(yīng)力時(shí)程幾乎重合，說(shuō)明兩類(lèi)疲勞起裂點(diǎn)處的面內(nèi)變形是引起角鋼斜撐疲勞開(kāi)裂的主導(dǎo)變形.

3) 角鋼斜撐重點(diǎn)關(guān)注部位絕對(duì)值最大的主應(yīng)力基本沿角鋼長(zhǎng)度方向，垂直于角鋼的剪應(yīng)力效應(yīng)并不顯著，說(shuō)明角鋼斜撐疲勞裂紋的擴(kuò)展方向與最不利工況下絕對(duì)值最大主應(yīng)力的方向相垂直.