車輛荷載作用下鋼-混凝土組合梁疲勞應(yīng)力分析

摘 要：【目的】隨著橋梁服役期延長和車輛荷載增加等多種因素的影響，結(jié)構(gòu)承載力會變得越來越弱，疲勞壽命不斷降低，最終可能導(dǎo)致低應(yīng)力疲勞破壞。因此有必要對車輛荷載下拱橋鋼混組合梁的疲勞細節(jié)應(yīng)力進行研究?！痉椒ā坎捎脭?shù)值模擬的方法，利用Midas FEA NX軟件建立3個標準長度的三維實體精細有限元模型，分析鋼混組合梁易損疲勞關(guān)鍵點的位置，并研究車輛荷載橫向最不利加載位置和縱向加載下的疲勞細節(jié)應(yīng)力變化規(guī)律?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，組合梁次橫梁與中縱梁交點處有三處疲勞關(guān)鍵點；靠近橋梁中線位置是車輛荷載下鋼梁疲勞最不利的橫向加載位置；四種不同標準的縱向車輛加載時，三個疲勞關(guān)鍵點均出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值，且最大應(yīng)力幅值均低于常幅疲勞強度的極限值?！窘Y(jié)論】研究成果可為鋼-混凝土組合梁試驗和相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：拱橋；鋼-混凝土組合梁；疲勞應(yīng)力；S—N曲線；車輛荷載

中圖分類號：U448.36" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）09-0078-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.016

Fatigue Stress Analysis of Steel-Concrete Composite Beam

Under Vehicle Load

HUANG Jiwei LIU Dan

（Sichuan College of Architectural Technology， Deyang 618000， China）

Abstract： [Purposes] With the extension of bridge service life and the increase of vehicle load， the bearing capacity of the structure will become weaker and weaker， and the fatigue life will continue to decrease， which may eventually lead to low stress fatigue failure. Therefore， it is necessary to study the fatigue detail stress of steel-concrete composite beam of arch bridge under vehicle load. [Methods] A three-dimensional solid finite element model of three standard lengths was established by using Midas FEA NX software through numerical simulation method. The location of the key points of vulnerable fatigue of steel-concrete composite beams was analyzed， and the variation law of fatigue detail stress under the most unfavorable lateral loading position and longitudinal loading of vehicle load was studied. [Findings] The results show that there are three fatigue key points at the intersection of the upper transverse beam and the middle longitudinal beam of the composite beam. The position near the midline of the bridge is the most unfavorable transverse loading position for the fatigue of the steel beam under vehicle load. When four different standards of longitudinal vehicle are loaded， there are two stress peaks at three fatigue key points， and the maximum stress amplitude is lower than the limit value of constant amplitude fatigue strength. [Conclusions] The analysis results can provide reference for the test and related research of steel-concrete composite beams.

Keywords： arch bridge; steel-concrete composite beam; fatigue stress; S—N curve; vehicle load

0 引言

鋼混凝土組合梁由鋼梁、混凝土板和抗剪連接件等組成，具有承載力高、施工方便等優(yōu)點。當組合梁用于橋梁等承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中時，組合梁的疲勞破壞問題較為突出［1］。

楊濤等［1］研究了部分抗剪連接鋼混凝土組合梁在高疲勞應(yīng)力幅下的疲勞性能。劉青茹等［2］分析了鋼板組合梁橋主梁與豎向加勁肋連接細節(jié)的疲勞應(yīng)力特征。張鶴旻［3］、張海鵬［4］、匡亞川［5］等先后研究栓釘銹蝕對組合梁抗彎性能、疲勞性能和疲勞壽命預(yù)測。姚舜［6］對腐蝕和疲勞作用下鋼-混凝土組合梁的剩余承載力和壽命進行了預(yù)測。橋梁在交通工程中發(fā)揮著主要作用，其中重要的一項功能是承受車輛的動態(tài)荷載。因此，對于鋼混組合橋面體系在車輛荷載作用下的動力特性，尤其是對其關(guān)鍵易損部位的疲勞性能進行深入研究尤為重要。

本研究基于拱橋橋面系鋼-混組合梁疲勞問題，建立三維有限元數(shù)值模型，通過分析模型最不利易損部位明確疲勞關(guān)鍵點，重點探討疲勞車輛橫向最不利加載位置和縱向加載疲勞細節(jié)應(yīng)力變化規(guī)律，研究結(jié)果為同類橋梁設(shè)計、施工等建設(shè)活動提供了一定參考。

1 常用規(guī)范疲勞荷載計算模型

1.1 美國AASHTO模型［7］

美國AASHTO規(guī)范中采用一輛三軸貨車作為疲勞驗算的標準疲勞荷載，標準疲勞車總重為325 kN，兩后軸軸重均為145 kN，后軸距為9 m，前軸重35 kN，前后軸間距4.3 m，如圖1所示。除特殊部件外，普通構(gòu)件在進行疲勞驗算時需要考慮15%的動力系數(shù)，即標準車重×（1+0.15）。

1.2 英國BS5400模型［8］

英國BS5400規(guī)范提出采用標準疲勞車表征標準荷載頻值譜效應(yīng)。標準疲勞為總重320 kN的單車，包含四個標準軸，軸重均為80 kN，兩個前軸和后軸間距均為1.8 m，如圖2所示。

1.3 歐洲EUROCODE模型［9］

歐洲EUROCODE規(guī)范中一共定義了5種疲勞計算荷載模型，工程師可根據(jù)實際需求選擇。其中模型3采用單車模型，僅適用于簡單的結(jié)構(gòu)疲勞驗算評估。該模型車詳細參數(shù)如圖3所示。在公路橋梁上進行疲勞應(yīng)力幅計算時，一般按單車道加載且不考慮多車效應(yīng)。

1.4 我國《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）疲勞計算模型Ⅲ［10］

JTG D64—2015規(guī)范提出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類疲勞計算荷載模型。疲勞驗算荷載模型Ⅰ采用等效車道荷載，使用集中荷載加均布荷載的形式，考慮多車道效應(yīng)。疲勞驗算荷載模型Ⅱ采用雙車模型，在進行疲勞加載時，要求兩車的中心間距大于40 m。疲勞驗算荷載模型Ⅲ采用單車模型，可用于橋梁系構(gòu)件細節(jié)的疲勞驗算，模型車有四個標準軸，單軸重為120 kN，前后軸間距6.0 m，詳細參數(shù)如圖4所示。

2 工程概況及有限元建模

本研究以主跨265 m的中承式鋼箱拱橋為例，拱軸系數(shù)為m=1.25，左岸引橋為3×20 m連續(xù)箱梁，右岸引橋為1×15 m簡支梁。主橋采用鋼混組合梁體系，由縱橫向鋼梁和混凝土橋面板組成。在拱橋中部的吊桿區(qū)，吊桿橫梁縱向間距8 m，橫向長度32 m，在中間設(shè)次橫梁。鋼梁采用Q345qD鋼材，工字形截面，其中工字鋼縱梁截面的參數(shù)為：腹板厚0.018 m，頂部翼板厚0.024 m，寬0.850 m；底部翼板厚0.028 m，寬0.850 m?？v橫鋼梁連接采用栓焊結(jié)合方式，頂板間鋼梁采用焊接，腹板、底板鋼梁采用節(jié)點板連接。橋面板采用預(yù)制C50鋼筋混凝土板現(xiàn)場安裝，并且在濕接頭處用裝配式剪力鍵與鋼梁形成鋼混組合梁。

基于彈性力學中的圣維南原理，采用Midas FEA NX建立3個標準節(jié)段長度的三維精細化有限元模型，如圖5所示。鋼筋混凝土橋面板采用三維實體單元模擬，彈性模量為32.5 GPa，泊松比為0.2。鋼梁結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。邊界條件處理方式：縱向主梁一端固結(jié)，另一端加豎向約束，結(jié)構(gòu)對稱位置添加對稱約束。鋼梁與橋面板接觸面設(shè)置節(jié)點耦合連接，忽略滑移效益。

3 疲勞關(guān)鍵點應(yīng)力分析

3.1 疲勞關(guān)鍵點位置確定

鋼－混組合橋面系疲勞分為剪力連接件的疲勞、鋼構(gòu)件的疲勞和混凝土橋面板的疲勞［11］。通常來講，鋼混組合梁疲勞加載次數(shù)與鋼梁自身疲勞性能密切相關(guān)，與栓釘?shù)冗B接件數(shù)量關(guān)系不大。疲勞破壞往往表現(xiàn)為鋼梁底部開裂或受壓區(qū)混凝土壓碎。一般來說，疲勞易損點抗疲勞性能往往決定結(jié)構(gòu)的疲勞承載能力大小。根據(jù)規(guī)范［10，12］中關(guān)于疲勞細節(jié)的具體規(guī)定，選擇鋼梁易疲勞關(guān)鍵點為研究對象。

為了獲取鋼梁易疲勞最不利位置，選取JTG D64—2015 疲勞計算模型Ⅲ規(guī)定的2輛疲勞車輛分別布置在有限元模型跨中2個車道中心線上，計算得到最大豎向位移為4.51 mm，位于跨中的中部；最大拉應(yīng)力為38.2 MPa，位于中縱梁與次橫梁交點處。

疲勞破壞往往最先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)受力最不利的位置。基于結(jié)構(gòu)對稱性原則和以往工程經(jīng)驗，在鋼梁次橫梁與中縱梁的交點處確定了3處疲勞關(guān)鍵點，具體位置如下：1#為中間的中縱梁與次橫梁交點底板（外側(cè)）；2#為第2道中縱梁與次橫梁交點底板（內(nèi)側(cè)）；3#為第2道中縱梁與次橫梁交點底板（外側(cè)）。

3.2 橫向加載最不利加載位置分析

在橋面板上使用標準疲勞車輛進行加載時，確定其在車道上的橫向最不利位置是必要的。目前，常用的加載方法有單跡線加載和多跡線加載。單跡線加載從車道的一側(cè)到另一側(cè)施加車輛荷載，以能夠?qū)a(chǎn)生最大應(yīng)力值的疲勞細節(jié)位置作為橫向最不利加載位置。這種方法簡單且實用，并且計算結(jié)果偏向安全。多跡線加載需要確認車輛荷載的多個橫向加載位置及加載頻數(shù)。雖然多跡線加載的計算精度較高，但工作量較大。本研究采用單跡線加載方法。

采用4種常用疲勞車輛從車道內(nèi)側(cè)開始，以0.5 m步長向車道外側(cè)方向逐步進行加載。經(jīng)計算后，提取鋼梁上3個疲勞關(guān)鍵點主應(yīng)力。以車輛橫向加載位置為橫坐標，疲勞關(guān)鍵點主應(yīng)力為縱坐標，繪制圖6所示的疲勞關(guān)鍵點主應(yīng)力變化曲線。

由圖6可知，不同疲勞車輛橫向加載時，曲線的變化規(guī)律基本一致，最大值出現(xiàn)在橫向加載位置為0 m處。同時，加載位置越偏離橋中線，疲勞關(guān)鍵點主應(yīng)力值越小，這表明橋梁中線附近的加載位置是疲勞車輛的最不利橫向加載位置。

3.3 縱向加載疲勞細節(jié)應(yīng)力

S—N曲線方法是一種簡單而實用的疲勞評估方法，目前被廣泛用于橋梁設(shè)計規(guī)范中。該方法需要利用S—N曲線和疲勞累積損傷理論來進行結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估。在實際情況中，結(jié)構(gòu)承受的往往是變幅荷載作用，因此需要基于疲勞累積損傷理論將變幅荷載轉(zhuǎn)化為等效常幅荷載，然后再利用S—N曲線對結(jié)構(gòu)進行疲勞性能評估。

選取DNV規(guī)范C（FAT90）級S—N曲線作為本橋應(yīng)力疲勞強度等級，如圖7所示。

利用Palmgren-Miner線性累積損傷進行疲勞壽命評估，等效應(yīng)力幅[?σc]計算見式（1）。

[?σc=［∑ni（?σi）m/∑ni］1/m]" " （1）

式中：[?σc]為等效應(yīng)力幅；[?σi]為關(guān)鍵點應(yīng)力頻譜值中第i個造成疲勞損傷的應(yīng)力幅值；[ni]為各應(yīng)力幅[?σi]對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；[m]為S—N曲線的斜率。

在橋梁中心線位置沿縱向進行加載，加載步長0.5 m，以研究不同縱向加載位置對疲勞關(guān)鍵點主拉應(yīng)力的影響。在計算過程中，標準車輛的車輪已計入鋪裝層的擴散作用，以面荷載的形式作用于節(jié)段模型上。

4種疲勞車輛荷載分別沿橋梁行車道縱向加載，計算各關(guān)鍵點的疲勞應(yīng)力歷程，統(tǒng)計應(yīng)力峰值的縱向加載位置和大小及應(yīng)力幅值。最后，根據(jù)式（1）得到等效疲勞應(yīng)力幅值。計算結(jié)果見表1。

由表1可知，1#、2#和3#疲勞細節(jié)均出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值。但應(yīng)力峰值出現(xiàn)的縱向位置應(yīng)力峰值大小及應(yīng)力幅都有差異。造成這些差異的主要原因是不同疲勞車輛的軸重、軸距等車型參數(shù)不一致。此外，對不同標準疲勞車輛模型，最大應(yīng)力幅值均低于常幅疲勞強度的極限值。這表明該結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計的要求。

4 結(jié)論

通過對拱橋鋼混組合梁疲勞細節(jié)進行數(shù)值模擬研究，可以得出以下結(jié)論。

①疲勞破壞往往最先出現(xiàn)在受力最不利的位置?；诮Y(jié)構(gòu)對稱性，在組合梁次橫梁與中縱梁的交點處確定了3處疲勞關(guān)鍵點。

②加載車輛位置在橋梁中線附近時，主應(yīng)力值達到最大。當橫向加載位置偏離中線越遠，主應(yīng)力曲線呈下降趨勢。因此，靠近橋中線的位置是疲勞車輛的最不利橫向加載位置。

③不同標準疲勞車輛沿橋梁縱向加載，1#、2#和3#疲勞關(guān)鍵點均出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值。最大應(yīng)力幅值均低于常幅疲勞強度的極限值，結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

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