正交異性鋼橋面板疲勞損傷有限元分析

鄧平郎，王學(xué)敏，劉建軍，陳旭

摘 要：復(fù)雜的受力特性和結(jié)構(gòu)體系決定疲勞損傷是正交異性鋼橋面板的發(fā)展和應(yīng)用所面臨的重大難題。目前我國已建成的許多座正交異性鋼橋面板橋梁出現(xiàn)了不同程度的疲勞損傷，橋面板的疲勞損傷影響橋梁耐久性與安全性。為此，本文利用ANSYS建立正交異性鋼橋面板的局部精細(xì)化有限元模型，進(jìn)行疲勞細(xì)節(jié)部位的應(yīng)力分析。對比分析橋面板各個易損部位在開裂前、后及修復(fù)加固后的受力特性，結(jié)果表明粘貼角鋼的修復(fù)加固技術(shù)能有效地降低局部應(yīng)力以阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，為此類橋梁疲勞裂紋的修復(fù)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：正交異性鋼橋面板;疲勞損傷;修復(fù)加固;ANSYS;有限元

中圖分類號：U44 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0108-02

1引言

正交異性鋼橋面板是由縱橋向與橫橋向加勁肋跟頂板焊接而成，共同承擔(dān)車輛荷載的橋面結(jié)構(gòu)，因其具有承載能力大、自重輕、施工周期短、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代大、中跨徑橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。除了優(yōu)點(diǎn)以外，正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)的疲勞問題也較為突出[1]。近幾十年來，國內(nèi)修建了大量采用正交異性鋼橋面板的橋梁，限于國內(nèi)施工質(zhì)量、交通荷載以及早期設(shè)計(jì)時對正交異性鋼橋面板疲勞裂紋產(chǎn)生的機(jī)理認(rèn)識不足等綜合因素，部分早期修建的橋梁均出現(xiàn)了不同程度的疲勞裂紋，如虎門大橋、江陰長江大橋等。

目前因疲勞開裂問題導(dǎo)致該類橋梁的維修加固需求十分突出，而一些維修加固的方法并不是十分有效。因此本文以國內(nèi)某大跨度橋?yàn)槔?，通過ansys建立精細(xì)有限元模型針疲勞裂紋修復(fù)措施進(jìn)行深入研究，可為此類橋梁疲勞裂紋的修復(fù)提供一定的參考。

2疲勞損傷研究

2.1疲勞損傷機(jī)理

正交異性鋼橋面板是由橫隔板、U形肋、頂板等共同作用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，根據(jù)疲勞裂紋的成因不同，可分為由主應(yīng)力引起的開裂與次應(yīng)力引起的開裂。前者稱荷載引起的開裂，后者稱面外變形引起的開裂。疲勞敏感部位（如應(yīng)力集中部位，焊縫部位，缺陷部位等）在循環(huán)荷載作用下會產(chǎn)生初始的微小疲勞損傷，在循環(huán)荷載作用下疲勞損傷一旦累計(jì)到臨界值，就會產(chǎn)生宏觀裂紋，宏觀裂紋按斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展機(jī)理擴(kuò)展直至發(fā)生脆性失效斷裂。

2.2疲勞損傷部位

根據(jù)國內(nèi)外正交異性鋼橋面板的疲勞損傷研究以及對已產(chǎn)生疲勞裂紋的橋梁的裂紋位置進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面板最容易產(chǎn)生疲勞裂紋的部位主要有圖1中的三個部位，占疲勞損傷的90%以上：①橫隔板開槽部位D1;②U形肋與橫隔板豎向焊縫端部位D2;③U形肋與頂板焊縫D3。

3工程實(shí)例及有限元模型

該橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。主跨為620m，梁高3.0m，寬30.1m。箱梁的上翼緣采用正交異性鋼橋面板，閉口U形加勁肋。由于超載和橋頂板較?。?4mm）等原因，該橋多處部位出現(xiàn)疲勞裂紋，急需對疲勞裂紋進(jìn)行修復(fù)加固處理，以確保鋼橋面板的運(yùn)營安全。

大跨度橋梁一般體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此進(jìn)行全橋精細(xì)化有限元分析工作量巨大，實(shí)際計(jì)算中實(shí)現(xiàn)較為困難。本文利用大型有限元分析軟件ANSYS建立正交異性鋼橋面板的局部精細(xì)化有限元模型，在保證模型受力特性與邊界條件與實(shí)橋基本一致的情況下，模型越小越精細(xì)，其計(jì)算結(jié)果可靠度越高。本文模型縱橋向采用3m+3m+3m的縱向三跨結(jié)構(gòu)，橫橋向包括5個U形肋。頂板厚14mm，U形肋厚10mm，橫隔板厚10mm。計(jì)算中約束所有橫隔板端部翼緣自由度。

為了獲得更加精準(zhǔn)的計(jì)算數(shù)據(jù)，所有容易產(chǎn)生疲勞裂紋的部位，如橫隔板開槽部位D1，以及在裂紋模擬過程中的網(wǎng)格劃分，均應(yīng)加大網(wǎng)格密度。整體模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。為了獲得更加精準(zhǔn)的計(jì)算數(shù)據(jù)，所有容易產(chǎn)生疲勞裂紋的部位，如橫隔板開槽部位D1，以及在裂紋模擬過程中的網(wǎng)格劃分，均應(yīng)加大網(wǎng)格密度，見圖3。

4設(shè)計(jì)荷載

加載采用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[4]中車輛荷載。單車重480KN，車輪著地面積為200mm×600mm，不計(jì)沖擊效應(yīng)和鋪裝層擴(kuò)散作用。因應(yīng)力影響線在橫向長度較短，因此可取車軸的單側(cè)車輪加載，此處取加載大小為60KN。此外，根據(jù)同濟(jì)大學(xué)童樂為教授研究表明，不同車道車輛對鋼橋面板同一部位的應(yīng)力不產(chǎn)生明顯疊加，因此不考慮多車效應(yīng)。

5計(jì)算結(jié)果對比分析

5.1開裂前應(yīng)力分析

加載后，在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫端部D2處應(yīng)力明顯較高，與前面統(tǒng)計(jì)的正交異性鋼橋面板最容易產(chǎn)生疲勞損傷的部位基本相符，表明局部應(yīng)力集中是裂紋產(chǎn)生的一個重要原因。

5.2開裂后應(yīng)力分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到開裂前和開裂后易損部位D1和D3處的應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力對比，結(jié)果表明產(chǎn)生疲勞裂紋后，開槽部位D1的局部應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到裂紋尖端，且D1和D3部位應(yīng)力均有較明顯的增加。

5.3修復(fù)加固后應(yīng)力分析

國內(nèi)外許多學(xué)者都在致力于鋼橋面板疲勞裂紋修復(fù)的研究，目前疲勞裂紋修復(fù)的方法較多，主要分為焊接修復(fù)和機(jī)械修復(fù)兩類。英國Severn橋修復(fù)U形肋與頂板焊縫D3時，將原有焊縫敲擊清除后重新焊接。但是加載次數(shù)僅增加1.5萬次，止裂孔邊緣便發(fā)現(xiàn)新疲勞裂紋。雖然相較之前應(yīng)力集中有稍許分散，但其效果并不明顯，因此止裂孔并不能有效地阻止裂紋擴(kuò)展。

本文采取的修復(fù)方法為機(jī)械修復(fù)：在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫端部D2、U形肋與頂板焊縫D3粘貼角鋼，以增強(qiáng)修改部位的剛度，降低局部應(yīng)力以阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。

結(jié)果表明：修復(fù)加固后D1，D3位置的應(yīng)力較開裂后明顯降低，其中開槽部位D1處的裂紋尖端應(yīng)力最大降幅約66%，表明粘貼角鋼修復(fù)方式能顯著降低裂紋尖端的局部應(yīng)力集中效應(yīng)，阻止裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展。

6結(jié)語

本文通過建立正交異性鋼橋面板的局部精細(xì)化有限元模型，進(jìn)行了疲勞細(xì)節(jié)部位的應(yīng)力分析。對比分析了正交異性鋼橋面板各個易損部位在開裂前、開裂后、修復(fù)加固后三種狀態(tài)中的受力特性，得出了以下結(jié)論：

（1）加載后，在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫端部處應(yīng)力明顯較高，與國內(nèi)外正交異性鋼橋面板的疲勞損傷研究得出最容易產(chǎn)生疲勞裂紋的部位基本相符，表明應(yīng)力集中是裂紋產(chǎn)生的一個重要原因。

（2）橫隔板開槽降低橫隔板的局部剛度，導(dǎo)致應(yīng)力集中，使得開槽部位產(chǎn)生垂直于開槽邊的疲勞裂紋。

（3）在裂紋尖端開直徑10mm的止裂孔，裂紋尖端的應(yīng)力最大值變化微小，因此止裂孔效果并不明顯。

（4）采取粘貼角鋼修復(fù)加固后，在橫隔板開槽部位D1、U形肋與橫隔板豎向焊縫D2端部處應(yīng)力較開裂修復(fù)前顯著降低，D1處的裂紋尖端部位局部應(yīng)力降低約66%，表明通過粘貼角鋼增強(qiáng)裂紋局部的剛度，能有效地降低局部應(yīng)力以阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾志斌. 正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋分列及其原因分析 [J] . 鋼結(jié)構(gòu)，2011，26（2）：9-15，26

[2]王春生，馮亞成. 正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述 [J] . 鋼結(jié)構(gòu)，2009，24（9）：10-13.

[3] JTG D64—2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].