鋼橋面板焊接部位的疲勞應(yīng)力分析方法

傅中秋，吉伯海，王滿(mǎn)滿(mǎn)，章 青b

（河海大學(xué)a.土木與交通學(xué)院；b.力學(xué)與材料學(xué)院，南京210098）

鋼橋面板焊接部位的疲勞應(yīng)力分析方法

傅中秋a*，吉伯海a，王滿(mǎn)滿(mǎn)a，章 青b

（河海大學(xué)a.土木與交通學(xué)院；b.力學(xué)與材料學(xué)院，南京210098）

對(duì)常用的傳統(tǒng)疲勞應(yīng)力分析方法的控制參量和計(jì)算方式進(jìn)行對(duì)比，分析了各方法的適用范圍及傳統(tǒng)疲勞方法與斷裂力學(xué)法的差異.根據(jù)名義應(yīng)力試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值，修正了有限元模型精度，進(jìn)行了鋼橋面板焊接部位疲勞熱點(diǎn)應(yīng)力分析，結(jié)果表明熱點(diǎn)應(yīng)力可通過(guò)名義應(yīng)力乘以放大系數(shù)獲得.鋼橋面板與豎向加勁肋角焊縫連接且厚度均為12mm時(shí)，該構(gòu)造細(xì)節(jié)的熱點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度可采用Eurocode3規(guī)范疲勞強(qiáng)度FAT100曲線.

鋼橋面板；焊縫；疲勞應(yīng)力；分析方法；有限元模型

正交異性鋼橋面板在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中有著較廣泛的應(yīng)用.由于構(gòu)造復(fù)雜，鋼橋面板焊接部位易出現(xiàn)疲勞破壞，而且已成為鋼橋病害的主要形式之一［1］.材料的材質(zhì)、缺陷、構(gòu)造形式、載荷特點(diǎn)和局部應(yīng)力分布等諸多因素都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命［2］.國(guó)際焊接協(xié)會(huì)對(duì)實(shí)際工程的焊接接頭和焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析形成了4個(gè)不同層次的評(píng)價(jià)方法，即名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法、缺口應(yīng)力法、斷裂力學(xué)法［3］.對(duì)工程結(jié)構(gòu)疲勞壽命的評(píng)估大致分為兩類(lèi)：①傳統(tǒng)的疲勞壽命評(píng)估方法，即基于應(yīng)力-次數(shù)關(guān)系曲線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)S-N曲線）的Miner累積損傷法則的分析方法；② 基于斷裂力學(xué)的分析方法.可靠度理論在結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估中的應(yīng)用也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的方向之一［4］.本文系統(tǒng)分析了疲勞分析常用方法及其適用范圍，并基于名義應(yīng)力法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行了驗(yàn)證.

1　疲勞分析方法對(duì)比

有關(guān)疲勞的傳統(tǒng)分析方法包括名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法、Verity評(píng)價(jià)法、臨界距離法、缺口應(yīng)力法等.名義應(yīng)力法選取離焊縫較遠(yuǎn)處應(yīng)力，其值不受焊縫應(yīng)力集中影響，應(yīng)用簡(jiǎn)單［5］；熱點(diǎn)應(yīng)力法采用距焊縫外兩點(diǎn)或三點(diǎn)的應(yīng)力外推得到［6］；缺口應(yīng)力法根據(jù)缺口端部應(yīng)力來(lái)描述承受疲勞載荷的結(jié)構(gòu)應(yīng)力［7］；臨界距離法認(rèn)為疲勞強(qiáng)度與圍繞缺口最大應(yīng)力某一距離內(nèi)的整體應(yīng)力水平有關(guān)，分為點(diǎn)法、線法、面法［8］；Verity評(píng)價(jià)法是在有限元計(jì)算中將焊趾處節(jié)點(diǎn)載荷向周邊單元進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，采用該法計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有網(wǎng)格不敏感特性，且計(jì)算精度較高［9］.

各疲勞評(píng)價(jià)方法的控制參量對(duì)比見(jiàn)表1.名義應(yīng)力法給出了多種焊接接頭分類(lèi)形式及其S-N曲線［10］.熱點(diǎn)應(yīng)力法、Verity評(píng)價(jià)法、臨界距離法和缺口應(yīng)力法將不同接頭類(lèi)型的S-N曲線歸一化.熱點(diǎn)應(yīng)力法應(yīng)用簡(jiǎn)便，目前該法相對(duì)成熟并已編入相關(guān)規(guī)范.斷裂力學(xué)承認(rèn)材料本身的初始缺陷［11］，為結(jié)構(gòu)安全分析提供了理論依據(jù)，但應(yīng)用過(guò)程中測(cè)試和計(jì)算復(fù)雜.傳統(tǒng)疲勞分析方法假設(shè)初始損傷為零，損傷隨載荷循環(huán)次數(shù)的增加而累積，一般采用“Miner線性累積損傷”理論進(jìn)行損傷計(jì)算，裂縫一旦出現(xiàn)即表示構(gòu)件的使用壽命終止.斷裂力學(xué)法與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的對(duì)比見(jiàn)表2.

表1　傳統(tǒng)疲勞分析方法對(duì)比Tab.1　Comparison of traditional fatigue analysis methods

表2　傳統(tǒng)法與斷裂力學(xué)法對(duì)比Tab.2　Comparison between traditional method and fracture mechanics

2　熱點(diǎn)應(yīng)力分析方法的驗(yàn)證

2.1 應(yīng)力幅值

實(shí)驗(yàn)針對(duì)鋼橋面板與豎向加勁肋連接角焊縫構(gòu)造細(xì)節(jié)，試件鋼材采用Q345qD鋼.采用機(jī)械型振動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)懸臂試件進(jìn)行彎曲疲勞加載.試件面板長(zhǎng)700 mm，寬300 mm；豎向加勁肋長(zhǎng)340 mm，高300 mm；面板與豎向加勁肋鋼材的厚度均為12 mm，角焊縫焊腳尺寸為6 mm.試件及加載和測(cè)點(diǎn)情況見(jiàn)圖1.

圖1　名義應(yīng)力試驗(yàn)試件圖（mm）Fig.1 Diagram of nominal stress test specimen（mm）

試件測(cè)點(diǎn)依據(jù)名義應(yīng)力法進(jìn)行布置.根據(jù)歐洲規(guī)范Eurocode 3，試件名義應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置選擇角焊縫附近數(shù)值穩(wěn)定且受邊界條件和焊縫影響較小之處，以便比較不同試件的受力和應(yīng)力狀態(tài).名義應(yīng)力測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置，如圖1（b）中的測(cè)點(diǎn)1和2.根據(jù)名義應(yīng)力幅分成3組進(jìn)行加載.3組名義應(yīng)力幅等級(jí)分別定為55，80，100 MPa，實(shí)際加載的名義應(yīng)力幅浮動(dòng)范圍在10%以?xún)?nèi).考慮到試件開(kāi)裂以后焊趾處應(yīng)力出現(xiàn)變化，試件以焊趾處出現(xiàn)疲勞裂紋作為疲勞壽命評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).試件測(cè)點(diǎn)的名義應(yīng)力幅與實(shí)測(cè)疲勞壽命見(jiàn)表3.

根據(jù)疲勞試驗(yàn)節(jié)段模型實(shí)際尺寸，有限元模型采用20節(jié)點(diǎn)solid186單元，單元尺寸為3 mm，如圖2所示.基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)名義應(yīng)力值，通過(guò)有限元數(shù)值模擬試件豎向加載力，以距離焊趾處0.4t和1.0t為參考點(diǎn)（應(yīng)力為σ0.4t和σ1.0t，t為板厚），對(duì)疲勞試件焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度（熱點(diǎn)應(yīng)力為σhs）進(jìn)行驗(yàn)證.模型計(jì)算名義應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值與實(shí)測(cè)最大位移對(duì)應(yīng)該點(diǎn)應(yīng)力值相同，以確保有限元模型計(jì)算可靠性.熱點(diǎn)應(yīng)力提取采用國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的兩點(diǎn)法外推公式：σhs=0.67σ0.4t-1.67σt，所得熱點(diǎn)應(yīng)力值見(jiàn)表3.

表3　試件名義應(yīng)力與熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果對(duì)比Tab.3 Results comparison of nominal stress and hot spot stress

2.2 熱點(diǎn)應(yīng)力驗(yàn)證

根據(jù)Eurocode 3規(guī)范熱點(diǎn)應(yīng)力各構(gòu)造細(xì)節(jié)的分類(lèi)，本試驗(yàn)針對(duì)豎向加勁肋與橋面板連接處焊縫端部疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，但規(guī)范中并沒(méi)有完全一致的疲勞細(xì)節(jié).熱點(diǎn)應(yīng)力選取受力方式與焊接形式最為相似的疲勞分類(lèi)FAT100.

圖3為本文計(jì)算值與Eurocode 3規(guī)范疲勞強(qiáng)度曲線對(duì)比（其中σ為應(yīng)力幅，N為循環(huán)次數(shù)），試件疲勞試驗(yàn)得到疲勞壽命與對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算得到的熱點(diǎn)應(yīng)力幅數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在FAT100線附近，計(jì)算結(jié)果的離散性較小.由熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算得到應(yīng)力幅值和對(duì)應(yīng)的疲勞壽命與規(guī)范基本一致.由此可見(jiàn)基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的有限元分析模型可以較好地模擬實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜受力情況.

圖2　焊趾處應(yīng)力分布云圖Fig.2 Stress distributing graph at weld toe

圖3　熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.3 Hot spot stress calculation results

2.3 名義應(yīng)力與熱點(diǎn)應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)相同構(gòu)造細(xì)節(jié)而言，名義應(yīng)力與熱點(diǎn)應(yīng)力理論上存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.即同一個(gè)構(gòu)造在相同載荷循環(huán)次數(shù)下，名義應(yīng)力部位和熱點(diǎn)應(yīng)力部位只存在唯一的應(yīng)力數(shù)值.熱點(diǎn)應(yīng)力部位的應(yīng)力數(shù)值受幾何集中影響，通常幾何集中導(dǎo)致的應(yīng)力增大可通過(guò)名義應(yīng)力乘以應(yīng)力集中系數(shù)得到.圖4為本次試驗(yàn)試件名義應(yīng)力與計(jì)算對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系圖，二者呈線性變換關(guān)系，即在相同構(gòu)造情況下，熱點(diǎn)應(yīng)力可通過(guò)名義應(yīng)力乘以放大系數(shù)獲得.但由于熱點(diǎn)應(yīng)力是通過(guò)差值計(jì)算，故該放大系數(shù)未精確反映應(yīng)力集中，與應(yīng)力集中系數(shù)不完全一致.

圖4　名義應(yīng)力與熱點(diǎn)應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relationship between nominal stress and hot stress

3　結(jié)論

1）傳統(tǒng)疲勞應(yīng)力分析方法的疲勞強(qiáng)度由其他部位的應(yīng)力直接代替或換算得到，通過(guò)疲勞S-N曲線計(jì)算壽命.斷裂力學(xué)方法基于初始缺陷假設(shè)，可實(shí)現(xiàn)疲勞發(fā)展全過(guò)程描述，但影響因素復(fù)雜.

2）基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的有限元模型可以較好地模擬實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)焊趾處的復(fù)雜受力情況.名義應(yīng)力與熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系分析表明，熱點(diǎn)應(yīng)力可通過(guò)名義應(yīng)力乘以放大系數(shù)獲得.

3）鋼橋面板與豎向加勁肋角焊縫連接且厚度均為12 mm時(shí)，該構(gòu)造細(xì)節(jié)的熱點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度可采用Eurocode 3規(guī)范疲勞強(qiáng)度FAT100曲線.

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The fatigue stress analysis method for the welding parts of steel bridge deck

FU Zhongqiua*，JI Bohaia，WANG Manmana，ZHANG Qingb
（a.Coll of Civil&Transp Engin；b.Coll of Mech&Mater，Hohai Univ，Nanjing 210098，China）

The controlled parameters and calculation way of traditional fatigue stress analysis method are compared.The scope of each method is analyzed.The comparison between traditional fatigue stress analysis method and fracture mechanics method is also done.Based on the above，the accuracy of finite element model is corrected according to the nominal stress test，the fatigue hot spot stress of steel bridge deck welding parts is got.Analysis shows that，hot spot stress can be obtained by nominal stress multiplying amplification coefficient.For the weld connection of steel deck and the vertical stiffening rib with thickness of 12 mm，fatigue strength curve of FAT100 in Eurocode 3 can be used to evaluate the hot spot stress strength.

steel bridge deck；weld；fatigue stress；analysis method；finite element model

U448.36

A

1007-824X（2015）02-0061-04

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）

2014-10-30.*聯(lián)系人，E-mail：fumidaut@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278166，51478163）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20120094110009）.

傅中秋，吉伯海，王滿(mǎn)滿(mǎn)，等.鋼橋面板焊接部位的疲勞應(yīng)力分析方法［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，18（2）：61-64.