縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)疲勞性能研究*

袁慶華 鄭春曉 謝 浩 高潤坤

(1.宜昌市住房和城鄉(xiāng)建設局, 湖北宜昌 443000; 2.中交第二航務工程局有限公司, 武漢 430040; 3.中建三局城市投資運營有限公司, 湖北宜昌 443000; 4.宜昌市城市橋梁建設投資有限公司, 湖北宜昌 443000)

0 引 言

正交異性鋼橋面板具有輕質高強、施工便捷等優(yōu)點,目前在鋼結構橋梁領域得到廣泛應用。正交異性鋼橋面板在縱向和橫向分別設置了縱肋和橫隔板,且頂板、縱肋和橫隔板之間通過焊接連接,使得正交異性鋼橋面板的立體交叉焊縫眾多,疲勞開裂問題突出[1-5]。在正交異性鋼橋面板疲勞開裂案例中,縱肋與橫隔板構造細節(jié)發(fā)生疲勞開裂問題的比例最高[1],是正交異性鋼橋面板的關鍵構造細節(jié)。

縱肋與橫隔板構造細節(jié)疲勞性能研究結果表明[3-7]:由于橫隔板開孔位置幾何不連續(xù),在荷載作用下縱肋的扭轉變形和面外變形受到不均勻約束,在橫隔板開孔位置產(chǎn)生較大的應力集中,導致其疲勞開裂問題突出。目前改善縱肋與橫隔板構造細節(jié)疲勞性能的方法主要有優(yōu)化橫隔板開孔形狀、調整合理的橫隔板間距與橫隔板厚度等方式[3-12]。通過優(yōu)化橫隔板開孔形狀,對于提升縱肋與橫隔板構造細節(jié)的疲勞性能有一定幫助,但是該方法沒有改變縱肋在橫隔板位置的傳力路徑,縱肋扭轉引發(fā)的應力集中問題仍然突出[4]。雖然減小橫隔板之間的間距、增大橫隔板厚度可有效降低縱肋與橫隔板構造細節(jié)的應力集中程度[2],但是該方法將大幅增加正交異性鋼橋面的自重和焊縫數(shù)目,不利于輕質高強、經(jīng)濟適用目標的實現(xiàn)。

為了改善縱肋與橫隔板構造細節(jié)的受力,大幅提升其疲勞性能,將縱肋底板與橫隔板在一定區(qū)域內通過焊接連接,發(fā)展了縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)。該新型構造細節(jié)可增強縱肋與橫隔板之間的協(xié)同受力,有效約束縱肋的扭轉變形,大幅降低橫隔板開孔位置的應力集中程度,從而有效提升其疲勞性能。為了深入研究縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)的疲勞性能,建立典型正交異性鋼橋面板有限元模型,對縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)各疲勞開裂模式進行理論分析,研究結果可為縱肋與橫隔板構造細節(jié)的抗疲勞設計提供理論依據(jù)。

1 研究對象

1.1 縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)的提出

縱肋與橫隔板構造細節(jié)疲勞失效機理研究結果表明[4,13-14]:在縱肋扭矩和豎向彎矩共同作用下,使得縱肋產(chǎn)生較大的扭轉變形和相對于橫隔板平面的面外變形,而橫隔板開孔位置的幾何不連續(xù)引起的約束剛度突變使縱肋與橫隔板構造細節(jié)應力集中問題突出,最終導致其疲勞開裂問題頻發(fā)。針對縱肋與橫隔板構造細節(jié)疲勞開裂問題,在縱肋底板和橫隔板之間引入栓接角鋼的加固方法(圖1),可改善其受力,使縱肋與橫隔板傳統(tǒng)構造細節(jié)與加固構件形成協(xié)同受力體系,有效提升其疲勞性能[4]。

圖1 縱肋與橫隔板構造細節(jié)加固示意Fig. 1 Strengthening method for rib-to-diaphragm detail

基于上述研究結果,將縱肋底板與橫隔板在一定區(qū)域通過焊接連接引入了縱肋與橫隔板新型構造細節(jié),可望增強縱肋與橫隔板之間的協(xié)同受力,降低其應力集中程度,進而有效提升其疲勞性能?？v肋與橫隔板新型構造細節(jié)的設計如圖2a和圖2b所示。

a—新型構造細節(jié)1; b—新型構造細節(jié)2; c—橫隔板全焊構造細節(jié); d—橫隔板普通開孔構造細節(jié)。圖2 縱肋與橫隔板構造細節(jié)設計 mmFig. 2 Design diagrams of novel rib-to-diaphragm joints

以圖2所示兩類縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)為研究對象,對其疲勞性能開展系統(tǒng)研究,并將縱肋與橫隔板全焊構造細節(jié)和橫隔板普通開孔構造細節(jié)作為對比參照。此外,在進行理論分析時,各模型的板厚、縱肋間距和橫隔板間距等參數(shù)取值均相同。

1.2 縱肋與橫隔板構造細節(jié)的疲勞開裂模式

縱肋與橫隔板構造細節(jié)存在多種疲勞開裂模式。其中:1)縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)1和新型構造細節(jié)2的疲勞開裂模式類似,主要包括縱肋腹板圍焊焊趾起裂并分別沿縱肋腹板和橫隔板擴展,以及縱肋底板圍焊焊趾起裂并分別沿縱肋底板和橫隔板擴展四種疲勞開裂模式,如圖3a和圖3b所示;2)縱肋與橫隔板全焊構造細節(jié)的疲勞開裂模式主要包括縱肋冷彎區(qū)域焊趾起裂并沿著縱肋擴展和橫隔板焊趾起裂并沿著橫隔板擴展兩種疲勞開裂模式,如圖3c所示;3)縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié)的疲勞開裂模式主要包括縱肋腹板圍焊焊趾起裂并分別沿縱肋腹板和橫隔板擴展,以及從橫隔板開孔自由邊應力集中位置起裂并沿橫隔板擴展的三種典型疲勞開裂模式,如圖3d所示。

a—新型構造細節(jié)1; b—新型構造細節(jié)2; c—橫隔板全焊構造細節(jié); d—橫隔板普通開孔構造細節(jié)。圖3 縱肋與橫隔板構造細節(jié)疲勞開裂模式Fig. 3 The crack pattern of rib-to-diaphragm joints

2 疲勞性能評估方法與有限元模型的建立

2.1 疲勞性能評估方法

本文采用國際焊接協(xié)會(ⅡW)推薦的熱點應力法對縱肋與橫隔板構造細節(jié)的疲勞性能進行評估。對于a類熱點,選取距離焊趾0.5倍板厚和1.5倍板厚處的應力進行外推計算;對于b類熱點,選取距離焊趾5 mm和15 mm處的應力進行外推計算?？v肋與橫隔板構造細節(jié)各疲勞開裂模式的熱點應力外推點選取如圖4所示。

圖4 熱點應力外推圖示Fig. 4 Extrapolation diagram of hot spot stress

a類熱點:

σhs=1.50σ0.5t-0.50σ1.5t

(1a)

b類熱點:

σhs=1.50σ5mm-0.50σ15mm

(1b)

式中:σhs為熱點應力;t為板厚;σ0.5t和σ1.5t分別為距離焊趾0.5t和1.5t處外推參考點的應力;σ5 mm和σ15 mm分別為距離焊趾5 mm和15 mm處外推參考點的應力。

2.2 有限元模型的建立

采用有限元軟件ANSYS建立了典型鋼橋面板足尺節(jié)段有限元模型,如圖5所示。縱肋、頂板和橫隔板等構件均采用實體單元Solid 45進行模擬,針對縱肋與橫隔板構造細節(jié),采用映射方式對其局部網(wǎng)格進行細化,以保證網(wǎng)格質量和計算結果的精度。模型包含7個縱肋、5個橫隔板,共4跨,縱橋向布置為0.3 m+4×3.0 m+0.3 m=12.6 m。模型的構造及其設計參數(shù)如圖2所示,鋼材彈性模量取值為206 GPa,泊松比為0.3。為準確模擬縱肋與橫隔板構造細節(jié)的受力特征,有限元模型的邊界條件選取如下:1)在橫橋向兩端約束橫隔板和頂板兩側結點x方向的平動自由度;2)在縱橋向兩端約束頂板和縱肋兩端結點z方向的平動自由度;3)在豎向約束橫隔板底端結點y方向的平動自由度。

D1～D5為橫隔板的編號。圖5 有限元模型 mmFig. 5 Finite element model mm

選取標準疲勞車[15]作為疲勞荷載。為了獲取縱肋與橫隔板構造細節(jié)各疲勞開裂模式的影響面,選取標準疲勞車的一個輪載(60 kN)作為單位荷載,在不同橫向位置進行縱向移動加載,如圖6所示。分析時選取4號縱肋左側與D4橫隔板之間的構造細節(jié)作為研究對象,針對圖3中各構造細節(jié)的疲勞開裂模式開展深入的對比研究。

a—橫向加載; b—縱向加載。圖6 加載示意 mmFig. 6 Loading condition

3 計算結果分析

3.1 縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)1

縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)1各疲勞開裂模式的熱點應力影響面如圖7所示。研究表明:1)縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)1的縱向影響線范圍主要在關注構造細節(jié)相鄰兩跨范圍內,橫向影響線范圍主要在關注構造細節(jié)相鄰兩個縱肋(單側)范圍內;2)當輪載的縱向加載位置距離橫隔板約0.4 m時,疲勞開裂模式Ⅰ～Ⅳ均處于較高應力水平,隨著輪載往跨中方向移動,其應力值逐漸降低;3)當移動車輛輪載橫向位于x軸負方向時,疲勞開裂模式Ⅰ～Ⅳ主要承受壓-壓循環(huán)應力,4種疲勞開裂模式的最大應力幅分別為17.4,23.3,45.3,30.8 MPa;當荷載橫向位于x軸正方向時,疲勞開裂模式Ⅰ～Ⅳ主要承受拉-拉循環(huán)應力,四種疲勞開裂模式的最大應力幅分別為24.5,4.5,18.5,16.1 MPa;4)相比于縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié),新型構造細節(jié)1在移動輪載作用下的應力幅顯著降低,且由承受拉-拉循環(huán)應力為主轉變?yōu)槌惺軌?壓循環(huán)應力為主。

a—疲勞開裂模式Ⅰ; b—疲勞開裂模式Ⅱ; c—疲勞開裂模式Ⅲ; d—疲勞開裂模式Ⅳ。圖7 縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)1應力影響面Fig. 7 Stress influence surface of novel rib-to-diaphragm joint 1

3.2 縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)2

縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)2與新型構造細節(jié)1的受力狀態(tài)相似,由于疲勞開裂模式Ⅲ和Ⅳ的應力幅值較大,因此僅選取這兩個疲勞開裂模式進行分析,其熱點應力影響面如圖8所示。研究表明:當移動車輛輪載橫向位于x軸負方向時,疲勞開裂模式Ⅲ和Ⅳ主要承受壓-壓循環(huán)應力,其最大應力幅分別為50.7 MPa和33.5 MPa;當荷載橫向位于x軸正方向時,疲勞開裂模式Ⅲ和Ⅳ主要承受拉-拉循環(huán)應力,其最大應力幅分別為30.4,23.1 MPa。

a—疲勞開裂模式Ⅲ應力影響面; b—疲勞開裂模式Ⅳ應力影響面。圖8 縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)2應力影響面Fig. 8 Stress influence surface of novel rib-to-diaphragm joint 2

3.3 縱肋與橫隔板全焊構造細節(jié)

縱肋與橫隔板全焊構造細節(jié)各疲勞開裂模式的熱點應力影響面如圖9所示。研究表明:1)當輪載的縱向加載位置距離橫隔板約0.6 m時,疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ均處于較高應力水平,隨著輪載往跨中方向移動,其應力值逐漸降低,表明疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ以承受面內和面外共同作用為主;2)當移動車輛輪載作用于疲勞裂紋萌生一側時,疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ均以承受壓-壓循環(huán)應力為主,疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ的最大應力幅值分別為51.1,31.7 MPa。

a—疲勞開裂模式Ⅰ應力影響面; b—疲勞開裂模式Ⅱ應力影響面。圖9 縱肋與橫隔板全焊構造細節(jié)應力影響面Fig. 9 Stress influence surface of joint welded all around

3.4 縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié)

縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié)各疲勞開裂模式的熱點應力影響面如圖10所示。研究表明:1)各疲勞開裂模式的縱向影響線范圍主要在關注構造細節(jié)相鄰兩跨范圍內,橫向影響線范圍主要在關注構造細節(jié)相鄰兩個縱肋(單側)范圍內;2)當輪載縱向位于跨中附近區(qū)域時,疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ的應力值均達到最大,隨著輪載往橫隔板方向移動,其應力值逐漸降低,表明疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ以承受面內和面外共同作用為主;3)當移動車輛輪載橫向位于x軸負方向時,疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ主要承受拉-拉循環(huán)應力,兩疲勞開裂模式的最大應力幅分別為51.7 MPa(e=-300 mm)和23.1 MPa(e=-300 mm);當荷載橫向位于x軸正方向時,疲勞開裂模式Ⅰ和Ⅱ主要承受壓-壓循環(huán)應力,兩疲勞開裂模式的最大應力幅分別為35.6 MPa(e=300 mm)和27.6 MPa(e=300 mm);4)對于疲勞開裂模式Ⅲ,當荷載橫向位于x軸正方向時,主要承受拉-拉循環(huán)應力,最大應力幅為11.0 MPa(e=300 mm),當車輛輪載橫向位于x軸負方向時,主要承受壓-壓循環(huán)應力,最大應力幅為22.1 MPa(e=-300 mm)。

a—疲勞開裂模式Ⅰ應力影響面; b—疲勞開裂模式Ⅱ應力影響面; c—疲勞開裂模式Ⅲ應力影響面。圖10 縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié)應力影響面Fig. 10 Stress influence surface of traditional rib-to-diaphrage joint

4 對比分析

兩種縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)和兩種縱肋與橫隔板普通構造細節(jié)各疲勞開裂模式的最大應力幅值匯總如表1所示?？芍?1)在4種構造細節(jié)中縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié)的應力幅值最大,為51.7 MPa,在相同的疲勞荷載作用下,該構造出現(xiàn)疲勞裂紋的可能性最大,其主導疲勞開裂模式為疲勞裂紋萌生于縱肋與橫隔板圍焊焊趾并沿縱肋腹板方向擴展。2)新型構造細節(jié)1和新型構造細節(jié)2可有效加強縱肋與橫隔板之間的可靠連接,顯著降低縱肋與橫隔板構造細節(jié)的應力幅值。以新型構造細節(jié)1的引入為例,疲勞開裂模式Ⅰ的應力幅由51.7 MPa降低到24.5 MPa,降幅為52.6%;疲勞開裂模式Ⅱ的應力幅由27.6 MPa降低到23.3 MPa,降幅為15.6%。3)從各構造細節(jié)的應力幅值分析可知,新型構造細節(jié)1的應力幅值最小,為45.3 MPa,其主導疲勞開裂模式為縱肋底板與橫隔板圍焊焊趾開裂并沿縱肋底板擴展(疲勞開裂模式Ⅲ),相較于縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié)其最大應力幅值降低了12.4%,其疲勞性能最優(yōu)。4)新型構造細節(jié)2和橫隔板全焊構造細節(jié)的最大應力幅值相當,分別為50.7,51.1 MPa,均以承受壓-壓循環(huán)應力為主;雖然新型構造細節(jié)2和橫隔板全焊構造細節(jié)的應力幅值較大,但是相比于橫隔板普通開孔構造細節(jié)的拉-拉循環(huán)應力控制,其疲勞性能將有所改善。

表1 各構造細節(jié)的最大應力幅

5 結 論

1)縱肋與橫隔板構造細節(jié)各疲勞開裂模式的縱向影響線范圍主要在關注構造細節(jié)相鄰兩跨區(qū)域內,橫向影響線范圍主要在關注構造細節(jié)相鄰兩個縱肋(單側)區(qū)域內。

2)縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié)為4種構造細節(jié)中疲勞開裂風險最大的構造細節(jié),其主導疲勞開裂模式為疲勞裂紋萌生于圍焊焊趾端部并沿縱肋腹板擴展(疲勞開裂模式Ⅰ),且該疲勞開裂模式以承受拉-拉循環(huán)應力為主。

3)縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)1通過加強縱肋與橫隔板之間的協(xié)同受力,大幅降低了應力集中程度,其主導疲勞開裂模式為縱肋底板與橫隔板圍焊焊趾端部起裂并沿著縱肋底板擴展(疲勞開裂模式Ⅲ),且該疲勞開裂模式以承受壓-壓循環(huán)應力為主,相較于縱肋與橫隔板普通開孔構造細節(jié),縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)1的最大應力幅值降低約12.4%。

4)縱肋與橫隔板新型構造細節(jié)2和縱肋與橫隔板全焊構造細節(jié)均以承受壓-壓循環(huán)應力為主,其最大應力幅值與橫隔板普通開孔構造細節(jié)相當,但是相較于橫隔板普通開孔構造細節(jié)的拉-拉循環(huán)應力控制,其疲勞性能將有所改善。