正交異性鋼橋面板疲勞易損區(qū)應(yīng)力分析

李明輝　劉冠沖　曲智超

摘要：正交異性鋼橋面板存在大量焊接細(xì)節(jié)，制作要求高，在車輛荷載的長(zhǎng)期反復(fù)作用下，易出現(xiàn)疲勞開裂。基于此，文章主要對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞易損區(qū)應(yīng)力進(jìn)行了分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋；面板；疲勞易損區(qū)；應(yīng)力

引言

雖然國(guó)內(nèi)的正交異性鋼橋面板運(yùn)營(yíng)時(shí)間不長(zhǎng)，但隨著中國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，交通量、車型、車重和車速有了快速提高，已有多座鋼橋的正交異性鋼橋面板出現(xiàn)了疲勞裂紋。疲勞裂紋影響了正交異性鋼橋面板的使用性能與耐久性。目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范主要基于名義應(yīng)力給出了正交異性鋼橋面板不同構(gòu)造分類的疲勞設(shè)計(jì)曲線。但由于構(gòu)造復(fù)雜性，鋼橋面板的名義直力很難精確得到，并且構(gòu)造分類法本身對(duì)細(xì)節(jié)構(gòu)造和焊接質(zhì)量很敏感，基于熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)鋼橋面板進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)和驗(yàn)算己經(jīng)成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。

1鋼橋面板的疲勞損傷

鋼橋面板疲勞裂紋的修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)的定量評(píng)價(jià)難以進(jìn)行，理由為：①現(xiàn)行鋼橋面板疲勞設(shè)計(jì)采用疲勞耐久性的構(gòu)造細(xì)節(jié)，沒有規(guī)定要根據(jù)應(yīng)力進(jìn)行疲勞驗(yàn)算；②橋的疲勞設(shè)計(jì)根據(jù)截面內(nèi)力以公稱應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋼橋面板的疲勞驗(yàn)算，橋面板的焊接為D級(jí)，縱肋橫肋交叉部位按荷載非傳遞肋十字接頭（E級(jí)）考慮。鋼橋面板承受的彎曲應(yīng)力較大，按公稱應(yīng)力進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，應(yīng)該按熱點(diǎn)應(yīng)力等板局部彎曲應(yīng)力的方法進(jìn)行驗(yàn)算；③橋面板裂紋是從焊接焊縫缺口處開始生成的裂紋，焊縫的疲勞驗(yàn)算困難，缺口處用應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)（K值）進(jìn)行評(píng)價(jià)不恰當(dāng)，可采用FEM進(jìn)行應(yīng)力集中分析，與實(shí)際情況進(jìn)行比較。疲勞裂紋的發(fā)生受荷載條件、構(gòu)造細(xì)節(jié)、制造工藝的影響很大，同一構(gòu)造細(xì)節(jié)在車輪荷載作用下全部作為修補(bǔ)對(duì)象，實(shí)際上，發(fā)生在橋面板側(cè)的損傷、在早期發(fā)現(xiàn)后就采用鋼纖維混凝土（SFRC）進(jìn)行大規(guī)模的補(bǔ)強(qiáng)是一種較好的方法，目前采用這種方法的實(shí)例在不斷增加，但是，存在工程規(guī)模大、成本高等問題。所以，采用簡(jiǎn)易的有效辦法（如用墊板），通過焊接進(jìn)行局部的修補(bǔ)，通過改善構(gòu)造細(xì)節(jié)來控制裂紋發(fā)生無疑是一種行之有效的辦法。鋼橋面板的疲勞損傷類型較多，大致可分為：縱肋與橫肋的焊縫相交部位、橋面板與豎向加勁肋相交的焊縫部位、橋面板與閉口肋相交的焊縫部位的疲勞裂紋等。

2正交異性鋼橋面板疲勞易損區(qū)應(yīng)力分析

2.1工程背景

某大橋?yàn)橹骺?00m的雙向6車道公路懸索橋，設(shè)計(jì)壽命為100年。大橋主梁采用扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，梁高3m，寬33m，在主梁吊索處以及兩吊索間跨中處設(shè)有實(shí)腹型橫隔板，在兩吊索間1/4跨與3/4跨處設(shè)有空腹型橫隔板，橫隔板間距為3m，主梁結(jié)構(gòu)未設(shè)置縱向腹板，鋼箱梁橋面板采用正交異性板。

2.2模型試驗(yàn)

（1）模型設(shè)計(jì)。正交異性板焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)主要受第二體系力與第三體系力的影響，呈現(xiàn)明顯的局部效應(yīng)。鋼箱梁結(jié)構(gòu)在移動(dòng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生橫向剪切作用，并通過橫隔板發(fā)生剪切變形的方式傳遞至整個(gè)箱梁結(jié)構(gòu)，使頂板、加勁肋腹板產(chǎn)生面外彎曲應(yīng)力。并且，直接承受移動(dòng)荷載的橋面板還會(huì)產(chǎn)生局部支撐作用。在橫向剪切作用和局部支撐作用的共同影響下，正交異性板焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致其在循環(huán)荷載作用下發(fā)生疲勞損傷。模型設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)兼顧上述2種作用的影響。依據(jù)上述正交異性橋面板的受力特性，選取主跨梁段進(jìn)行足尺節(jié)段模型疲勞試驗(yàn)研究。通過對(duì)多個(gè)模型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比研究，最終確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M向設(shè)置8條u形加勁肋，橫向跨度較大，以模擬原橋結(jié)構(gòu)的剪切變形（參見圖1）。

（2）模型概況。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕身敯?、縱向u形加勁肋、橫隔板以及腹板組成。綜合考慮應(yīng)力等效性及試驗(yàn)場(chǎng)地限制等約束條件，確定模型長(zhǎng)3.04m、寬5.14m、高1.278m，橫向設(shè)置8條u形加勁肋，加勁肋間距為0.6m，縱向設(shè)置3道橫隔板，其中中橫隔板高1.2m，邊橫隔板高0.51m，中橫隔板與邊橫隔板間距為1.3m。頂板厚16mm，u形加勁肋板厚8mm，橫隔板厚12mm，腹板厚20mm。u形加勁肋的形狀、間距，橫隔板開口尺寸，頂板、加勁肋、橫隔板等板件的厚度均與實(shí)橋相同。模型用鋼均采用與實(shí)橋相同的Q345qD，焊接工藝與加工方法也與實(shí)橋相同。

（3）試驗(yàn)方案。根據(jù)原橋節(jié)段有限元分析結(jié)果，確定足尺模型疲勞試驗(yàn)加載幅P=800kN，荷載上限Pmax=850kN，下限Pmin=50kN，試驗(yàn)采用等幅加載，加載頻率為1.SHz，荷載循環(huán)500萬次。試驗(yàn)采用MTS液壓伺服作動(dòng)儀進(jìn)行加載。試驗(yàn)過程中，在荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到25萬次的整數(shù)倍時(shí)停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，采集疲勞易損構(gòu)造的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并對(duì)焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行裂縫觀測(cè)。

2.3疲勞開裂情況試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果及以往經(jīng)驗(yàn)，加勁肋腹板與橫隔板切口焊接處、項(xiàng)板與加勁肋腹板焊接處為控制疲勞性能的主要部位，橫隔板切口處也是重點(diǎn)疲勞易損構(gòu)造。在試驗(yàn)過程中關(guān)注這3個(gè)部位，觀察疲勞裂縫的產(chǎn)生。

（1）加勁肋腹板與橫隔板切口焊接處。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)累計(jì)到50萬次時(shí)，ZL4加勁肋腹板與橫隔板焊接構(gòu)造處測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生突變，但并未觀測(cè)到可見裂縫。當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到400萬次時(shí)，疲勞裂縫清晰可見。裂縫萌生于加勁肋腹板與橫隔板切口的內(nèi)側(cè)焊趾處，并且以焊趾為中心，在加勁肋腹板上沿模型縱向向兩側(cè)擴(kuò)展。

（2）頂板與加勁肋腹板焊接處。頂板與加勁肋腹板焊接處開裂會(huì)破壞橋面結(jié)構(gòu)的防水性能，導(dǎo)致雨水滲入箱梁內(nèi)部使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生銹蝕，嚴(yán)重威脅使用安全。當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到225萬次后，YLl加勁肋頂板右側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值發(fā)生突變。試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)此構(gòu)造處裂縫清晰可見，裂縫起源于加勁肋頂板、加勁肋腹板及橫隔板三者焊接構(gòu)造的焊根處，并以此為中心在頂板上沿模型縱向擴(kuò)展。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，頂板裂縫長(zhǎng)度達(dá)130mm，且貫穿整個(gè)橋面板。

（3）橫隔板切口處。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，橫隔板各切口邊緣未發(fā)現(xiàn)疲勞裂縫。但試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果均表明在ZL4與YL4橫隔板下切口處，存在較大的拉應(yīng)力，其中ZL4橫隔板切口（ZL4-HGB）測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)主拉應(yīng)力幅達(dá)到120MPa。

2.4應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)過程中對(duì)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，限于篇幅，本文僅給出開裂測(cè)點(diǎn)處的測(cè)試結(jié)果。ZL4加勁肋并未直接承受豎向荷載，但在加勁肋腹板與橫隔板焊接構(gòu)造處仍發(fā)生疲勞損傷。其原因?yàn)樵囼?yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)寬度大，邊緣加勁肋剪切作用明顯，此種剪切作用會(huì)帶動(dòng)加勁肋腹板及頂板產(chǎn)生而外彎曲，從而導(dǎo)致加勁肋腹板與橫隔板焊接處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

在前225萬次循環(huán)中，焊趾處應(yīng)力為壓應(yīng)力，且測(cè)點(diǎn)位置越靠近焊趾，其應(yīng)力數(shù)值越大，由于試驗(yàn)過程中加載混凝土板存在開裂現(xiàn)象，因此各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值產(chǎn)生一定波動(dòng)，且變化較小。250萬次以后，各測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力值均逐漸減小，距離焊趾20mm處測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，證明在225萬次后YLl加勁肋頂板焊趾構(gòu)造處發(fā)生疲勞塑性變形，即225萬次為該構(gòu)造疲勞開裂的始點(diǎn)。YLl頂板測(cè)點(diǎn)處于壓應(yīng)力作用區(qū)域，但由于焊接殘余應(yīng)力的影響，在該構(gòu)造部位依然產(chǎn)生了疲勞裂縫。因此，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)而言，壓應(yīng)力循環(huán)同樣會(huì)導(dǎo)致疲勞開裂，焊接殘余應(yīng)力的影響應(yīng)予以重視。

2.5疲勞性能評(píng)估

采用熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠谛阅苓M(jìn)行評(píng)估。研究表明，熱點(diǎn)應(yīng)力法能夠有效避免復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下名義應(yīng)力難以定義的問題，因此熱點(diǎn)應(yīng)力法更適用于正交異性板這類復(fù)雜的空間焊接結(jié)構(gòu)疲勞等級(jí)的評(píng)估。經(jīng)測(cè)算，有限元計(jì)算得到ZL4加勁肋與YLl頂板開裂位置的計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力分別為157MPa和123MPa。

3結(jié)束語

加勁肋腹板與橫隔板切口焊接構(gòu)造易于發(fā)生疲勞破壞，疲勞裂縫從加勁肋與橫隔板焊趾處萌生，并沿模型縱向向兩側(cè)擴(kuò)展。頂板與加勁肋腹板焊接構(gòu)造雖位于受壓循環(huán)區(qū)，但同樣容易產(chǎn)生疲勞破壞，裂縫沿橋梁縱向擴(kuò)展。橫隔板切口存在較大拉應(yīng)力，但經(jīng)過500萬次疲勞試驗(yàn)后并未發(fā)生可見裂縫，證明其疲勞強(qiáng)度較高。