U肋與橫隔板連接疲勞開裂加固手孔開設(shè)方法初探

龔代勛

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

U肋與橫隔板連接疲勞開裂加固手孔開設(shè)方法初探

龔代勛

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

受復(fù)雜焊接構(gòu)造形式和受力特性的影響，U肋與橫隔板連接疲勞開裂表現(xiàn)出多發(fā)性、早發(fā)性、再現(xiàn)性的特點，嚴(yán)重影響了正交異性鋼橋面板的正常使用性能。為保證正交異性鋼橋面板的安全使用，合理延長其使用壽命，國內(nèi)外學(xué)者針對該連接構(gòu)造細節(jié)的加固方法展開了大量的理論和實驗研究。但受實際條件和加固操作空間的限制，提出的各種加固方法在實橋中的應(yīng)用仍面臨著可行性的難題。文章在現(xiàn)有的U肋橫隔板連接疲勞開裂局部加固方法的基礎(chǔ)上，提出了一種在實橋中具備可操作性的加固方法。并結(jié)合有限元方法對該加固方法進行了深入的分析，研究成果對正交異性鋼橋面板的設(shè)計、檢測、加固有一定的指導(dǎo)意義。

正交異性鋼橋面板； U肋與橫隔板連接； 加固方法； 手孔； 有限元； 力學(xué)特性

正交異性鋼橋面板是由頂板、縱肋、橫隔板三部分焊接而成以共同承擔(dān)車輛荷載的橋面結(jié)構(gòu)，自發(fā)明以來便憑借著其自重輕、承載能力大、傳力整體性好、施工速度快等優(yōu)點在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用[1]。目前世界各國已建成的采用正交異性鋼橋面板的各類橋梁已超過1500余座，中國正在運營和規(guī)劃中的該類型橋梁數(shù)量已達200余座，該結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用大大推動了橋梁工程向大跨、重載和結(jié)構(gòu)造型多樣化等方向發(fā)展[2]。然而隨著現(xiàn)代交通運輸要求的不斷提高，國內(nèi)外正交異性鋼橋面板均有發(fā)現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象。疲勞裂紋的多發(fā)性、早發(fā)性、普遍性、再現(xiàn)性等特點嚴(yán)重影響著正交異性鋼橋面板的使用性能。受復(fù)雜焊接構(gòu)造和受力特性的影響，U肋與橫隔板交叉連接部位為疲勞裂紋多發(fā)區(qū)，據(jù)日本首都高速道路鋼橋面板疲勞裂紋統(tǒng)計，與橫隔板相關(guān)的疲勞裂紋占裂紋總數(shù)的46 %[3]。國內(nèi)外學(xué)者針對該連接構(gòu)造細節(jié)的加固方法已開展了大量的理論和試驗研究[4]，常用的加固方法大致可分為局部補強法、局部處理及替換法、改進鋪裝層結(jié)構(gòu)法等。局部補強法主要通過在疲勞開裂區(qū)粘貼或錨固鋼板、角鋼、碳纖維板，以改變局部區(qū)域的傳力路徑，降低應(yīng)力集中，達到阻止疲勞裂紋繼續(xù)擴展的目的；局部處理及替換法通常采用局部更換部件、重熔法、超聲波錘擊法、砂輪磨修、錐形砂輪磨光法等消除疲勞裂紋；改進鋪裝層結(jié)構(gòu)法主要通過在鋼橋面頂板增設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)鋪裝層，形成正交異性組合橋面板結(jié)構(gòu)，增強結(jié)構(gòu)整體的剛度與強度，以達到降低疲勞易損部位應(yīng)力幅、抑制疲勞裂紋擴展的目的。局部補強法對不同類型、長度、方向的疲勞裂紋均有較好的加固效果，局部處理及替換法通常僅適用于疲勞裂紋開裂長度較短的情況。而改進鋪裝層結(jié)構(gòu)法需要中斷交通，且加固周期長、費用高。

對于U肋與橫隔板交叉連接部位的維修加固，由于受到加固操作空間的限制，嚴(yán)重影響了加固方法實施的可行性，因此本文提出在鄰近U肋與橫隔板交叉連接部位U肋底緣位置開設(shè)手孔的方法對U肋橫隔板連接疲勞開裂進行檢測、維修與加固，并結(jié)合大型有限元分析軟件ANSYS對實橋開設(shè)手孔前后靜力特性、疲勞特性作對比分析，研究成果對實橋中U肋與橫隔板交叉連接部位疲勞開裂的維修加固具有一定參考意義。

1 U肋與橫隔板交叉連接部位加固

U肋與橫隔板交叉連接部位受力情況復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。在汽車荷載的反復(fù)作用下，縱肋反復(fù)的豎向撓曲變形將引起橫隔板產(chǎn)生反復(fù)多次的面外彎曲，由于受到面外約束的影響，在U肋與橫隔板連接焊縫處將會產(chǎn)生較大的彎曲次應(yīng)力，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生；另外橫肋作為鋼箱梁的橫梁，在荷載作用下將會產(chǎn)生豎向的撓曲變形，由于弧形開孔的存在，在弧形開孔自由邊上將會產(chǎn)生較大的面內(nèi)彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。在以上兩種次應(yīng)力循環(huán)作用下，使得U肋與橫隔板交叉連接部位成為疲勞裂紋多發(fā)區(qū)域。U肋與橫隔板交叉連接部位的疲勞裂紋大致可以分為以下三類[5](圖1)：起始于U肋與橫隔板連接焊縫焊趾下端，平行于焊趾方向沿U肋腹板擴展的一類裂紋；起始于U肋與橫隔板連接焊縫下端，斜向沿橫隔板腹板擴展的二類裂紋；起始于縱肋下端橫隔板腹板弧形缺口處，大致沿橫隔板腹板橫向或斜向擴展的三類裂紋。

圖1 U肋橫隔板交叉部位典型疲勞裂紋

受操作空間限制，適用于U肋與橫隔板交叉連接部位的加固方法較為有限，參考國內(nèi)外加固文獻資料，在U肋與橫隔板交叉連接部位常用的加固方法有止裂孔法、冷連接板件法，同時改進鋪裝層對于降低該部位應(yīng)力集中現(xiàn)象和改善疲勞性能也有一定作用。然而考慮到加固成本、加固效果等因素，對于U肋與橫隔板連接疲勞開裂常用的加固方法為使用高強螺栓栓接角鋼加固[6-8]。栓接角鋼對結(jié)構(gòu)進行補強加固，增強了U肋與橫隔板的局部剛度，減小了面外變形，荷載通過角鋼傳遞，降低了裂紋處的應(yīng)力值，對U肋與橫隔板連接疲勞開裂加固效果較為理想。

2 實橋可實施加固方案

對于一、二類裂紋，當(dāng)采用高強螺栓栓接角鋼進行加固時，由于在實橋當(dāng)中難以接近U肋內(nèi)部，因此常規(guī)方法下無法利用螺栓對角鋼和U肋進行連接加固。為了解決這一問題，本文提出通過在離發(fā)生疲勞開裂的U肋與橫隔板交叉連接部位較近的U肋底緣位置開設(shè)手孔的方式實現(xiàn)角鋼和U肋的高強螺栓連接。由于在U肋底緣位置開設(shè)手孔為新的構(gòu)造形式，因此本文參考港珠澳大橋手孔尺寸(圖2)?？紤]到實際操作需要，取手孔邊緣與橫隔板距離L1為定值200 mm。

圖2 港珠澳大橋手孔尺寸(單位：mm)

手孔開設(shè)位置離橫隔板距離較近，在該區(qū)域U肋受負(fù)彎矩，U肋底緣主要受壓，理論上局部開設(shè)的手孔不會對正交異性鋼橋面板的性能產(chǎn)生大的影響，但由于開設(shè)手孔可能會引入新的疲勞易損細節(jié)，為防止新的疲勞易損細節(jié)導(dǎo)致疲勞性能降低，因此需要對開設(shè)手孔的可行性進行分析。

3 加固方法力學(xué)特性研究

3.1 有限元模型

為了研究開設(shè)手孔的可行性，結(jié)合某公路大橋鋼箱梁構(gòu)造參數(shù)(圖3)，利用大型通用有限元軟件ANSYS建立標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁節(jié)段模型，對實橋的靜力性能和疲勞性能進行評估。鋼箱梁節(jié)段模型順橋向取12個橫梁間距共計30 m長度建模，考慮到鋼箱梁為對稱結(jié)構(gòu)，為減少計算工作量，節(jié)段模型橫橋向沿中心線取鋼箱梁二分之一進行建模(圖4)。

圖3 鋼箱梁橫斷面(單位：mm)

圖4 有限元模型示意

其中關(guān)注區(qū)域采用實體單元Solid45，其余部分采用板殼單元Shell63，實體單元與板殼單元之間通過節(jié)點耦合的方式建立連接。有限元模型共包含節(jié)點數(shù)1 372 251，單元共1 010 285個。模型中所采用的材料為Q345鋼材，容重7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比0.3。正交異性鋼橋面板縱向U肋斷面尺寸為300 mm×280 mm×8 mm，頂板厚16 mm，U肋腹板厚8 mm，橫隔板厚14 mm。

3.2 靜力特性分析

靜力荷載考慮車輛荷載、結(jié)構(gòu)自重，加載車輛采用JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中的車輛荷載模型?？v向加載工況考慮在關(guān)注區(qū)域車輛后輪車軸位于橫隔板正上方(Z1)、車輛后輪車軸對稱分布橫隔板正上方(Z2)以及車輛后輪車軸位于跨中位置(Z3)三種工況(圖5)。橫向考慮車輛中載(按車道中心線布置4個車輛荷載)和車輛偏載(參考JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中車輛荷載橫向布置規(guī)定沿路緣石依次布載)2種工況，共計6種工況。

圖5 縱向加載工況示意

考慮到U肋與橫隔板連接焊縫焊趾處和橫隔板弧形開孔處為疲勞裂紋多發(fā)區(qū)，因此選取U肋橫隔板連接焊縫焊趾下方5 mm處A、B點、橫隔板弧形開孔周邊5 mm處C、D點作為關(guān)注點(圖6)。對比開設(shè)手孔前后各關(guān)注點應(yīng)力變化情況，從而研究手孔對于實橋靜力特性的影響。

圖6 關(guān)注點示意

計算結(jié)果表明(圖7、圖8)，中載情況下A、B、D三點主要受主拉應(yīng)力影響，C點受主壓應(yīng)力影響；偏載情況下A、D主要受主拉應(yīng)力影響，B、C受主壓應(yīng)力影響。并通過對比分析6種工況下開設(shè)手孔前后應(yīng)力變化幅度，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)注點A、B、C、D四點在開設(shè)手孔前后主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力和等效應(yīng)力的變化幅度均較小，因此可以認(rèn)為手孔對于實橋靜力特性無明顯影響。

(a)中載主拉應(yīng)力

(b)中載主壓應(yīng)力

(c)中載等效應(yīng)力圖7 中載工況下開設(shè)手孔前后應(yīng)力對比

(a)偏載主拉應(yīng)力

(b)偏載主壓應(yīng)力

(c)偏載等效應(yīng)力圖8 偏載工況下開設(shè)手孔前后應(yīng)力對比

中載Z2工況下手孔自由邊的應(yīng)力云圖如圖9所示。手孔自由邊最大主拉應(yīng)力為86.2 MPa，出現(xiàn)在手孔圓弧與直線段過渡區(qū)域，在車輛荷載的反復(fù)作用下，手孔自由邊可能產(chǎn)生新的疲勞易損細節(jié)，因此有必要對手孔自由邊疲勞特性進行評估。

圖9 中載Z2工況下手孔應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3.3 疲勞特性分析

選取車輛荷載作用下主拉應(yīng)力較大的縱肋與橫隔板連接處A、D點和手孔圓弧自由邊主拉應(yīng)力最大的E點作為疲勞性能研究關(guān)注點。采用JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型Ⅲ加載。首先橫向加載得到關(guān)注點橫橋向最不利加載位置，然后按各關(guān)注點的橫橋向最不利荷載位置沿縱橋向加載得到各關(guān)注點應(yīng)力-時間歷程曲線(圖10)。

(a)關(guān)注點A點應(yīng)力時間歷程曲線

(b)關(guān)注點D點應(yīng)力時間歷程曲線

(c)關(guān)注點E點應(yīng)力時間歷程曲線圖10 各關(guān)注點縱向應(yīng)力時間歷程曲線

對比開設(shè)手孔前后A、D關(guān)注點應(yīng)力-時間歷程曲線，可以發(fā)現(xiàn)手孔對于關(guān)注區(qū)域疲勞特性無明顯影響，這可能是因為開設(shè)手孔雖然在一定程度上削弱了U肋底板剛度，但對于U肋橫隔板交叉連接部位的受力特性、傳力途徑和局部剛度無明顯影響，因此認(rèn)為手孔對于實橋疲勞特性無明顯影響。A、D、E三點沿縱橋向一次跑車情況下的等效應(yīng)力幅分別為66.27 MPa、17.01 MPa、28.41 MPa，A點等效應(yīng)力幅值相對E點較大，A點為疲勞開裂控制點。然而考慮到實際操作需要和受力特性，有必要對手孔尺寸做進一步的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

4 手孔尺寸參數(shù)優(yōu)化

為了確定合理的手孔幾何參數(shù)形式，研究手孔尺寸對手孔自由邊最大主應(yīng)力的影響，本文選取手孔自由邊直線段長度L2為參數(shù)進行研究，通過改變手孔自由邊直線段長度L2，分析手孔自由邊最大主應(yīng)力在最不利荷載情況下的變化情況，從而擬定最優(yōu)尺寸形式(圖11)。

圖11 手孔自由邊最大主應(yīng)力

可以發(fā)現(xiàn)手孔自由邊最大主應(yīng)力隨著直線段L2長度減小而隨之減小。因此考慮到實際操作需要和剛度的影響，建議取直線段長度L2等于0 mm時的尺寸形式(即半徑40 mm圓形手孔)。

5 結(jié) 論

(1)利用有限元軟件ANSYS建立鋼箱梁節(jié)段模型對比分析開設(shè)手孔前后U肋與橫隔板交叉連接部位應(yīng)力變化情況，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力幅度變化極小，因此可以認(rèn)為手孔對于U肋橫隔板交叉連接部位靜力特性無明顯影響。

(2)對A、D、E三點處的應(yīng)力-時間歷程曲線計算分析可知，手孔對于鄰近U肋橫隔板疲勞特性無明顯影響。

(3)通過開設(shè)手孔的方式對U肋橫隔板交叉連接部位進行維修加固時可行的，考慮到實際操作需要和受力特性等因素，推薦采用半徑40 mm的圓形手孔。

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[定稿日期]2017-06-09

龔代勛(1991～)， 男，碩士研究生，研究方向為鋼橋疲勞。