鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構(gòu)造疲勞壽命對(duì)比研究

摘要：面板-縱肋構(gòu)造是鋼橋焊接細(xì)節(jié)的主要組成部分。文章為研究大跨度鋼橋面板-縱肋構(gòu)造的疲勞性能，借助ANSYS有限元軟件，考慮焊縫實(shí)際尺寸，分別建立了包含單面焊和雙面焊構(gòu)造的鋼橋面板疲勞節(jié)段數(shù)值分析模型，對(duì)兩類構(gòu)造的疲勞壽命進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：雙面焊構(gòu)造等效疲勞應(yīng)力幅最大值位于外側(cè)焊縫焊趾處，疲勞壽命為172.2年，是單面焊疲勞壽命的2.2倍；單面焊構(gòu)造疲勞裂紋大多出現(xiàn)在焊根處，雙面焊構(gòu)造疲勞裂紋出現(xiàn)在外側(cè)焊縫焊趾處，因此，雙面焊構(gòu)造疲勞裂紋的可檢性較高。

關(guān)鍵詞：鋼橋；面板-縱肋構(gòu)造；數(shù)值分析；疲勞壽命

U445.58+3A381202

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋由于自重大、施工工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)、施工質(zhì)量難以保證和砂石料自然資源消耗大等缺點(diǎn)，迫使橋梁建設(shè)尋求一種更加適用于大跨、工業(yè)化和智能化的橋梁材料。在橋梁不斷發(fā)展的過(guò)程中，鋼材脫穎而出。20世紀(jì)以來(lái)，鋼橋在國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用，鋼橋涉及多種結(jié)構(gòu)形式。其中，鋼箱梁無(wú)論是直線、曲線，還是大跨、特大跨橋梁中均具有較強(qiáng)的適用性，因此鋼箱梁在鋼橋中投入使用的比例較高。鋼橋施工過(guò)程中主要關(guān)注強(qiáng)度和穩(wěn)定性問(wèn)題，成橋后主要是疲勞問(wèn)題。強(qiáng)度問(wèn)題可通過(guò)梁高和板厚進(jìn)行控制，穩(wěn)定問(wèn)題可通過(guò)板厚和加勁肋進(jìn)行控制。鋼橋疲勞問(wèn)題內(nèi)外因素復(fù)雜，受焊接初始缺陷和荷載環(huán)境的耦合影響，因此鋼箱梁疲勞研究是現(xiàn)階段鋼橋尤為重要的研究課題方向。

自1971年歐洲賽文橋面板-縱肋構(gòu)造發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂以來(lái)，國(guó)內(nèi)外鋼橋均發(fā)現(xiàn)了多起疲勞裂紋，鋼橋疲勞問(wèn)題也開(kāi)始得到重視。以國(guó)內(nèi)鋼橋?yàn)槔?，軍山長(zhǎng)江大橋、江陰長(zhǎng)江大橋和海滄大橋等疲勞開(kāi)裂鋼橋中，面板-縱肋構(gòu)造均采用單面焊形式。近年來(lái)，鋼橋面板-縱肋雙面焊構(gòu)造進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，如沌口長(zhǎng)江大橋、石首長(zhǎng)江大橋和嘉魚(yú)長(zhǎng)江大橋等。張亞海等基于斷裂力學(xué)方法對(duì)雙面焊構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律進(jìn)行了分析［1］；張清華等基于實(shí)體節(jié)段模型得到了雙面焊構(gòu)造主導(dǎo)疲勞失效模式及其疲勞強(qiáng)度［2］；郭殊倫等分析了雙面焊內(nèi)焊縫初始裂紋開(kāi)裂特征［3］；薛喆彥等分別介紹了定位焊、雙面焊內(nèi)外焊焊接工藝并論證了可靠性［4］；蔣斐等對(duì)比分析了新型鐓邊縱肋和雙面焊兩種新型面板-縱肋焊接構(gòu)造的疲勞性能［5］。目前關(guān)于鋼橋面板-縱肋雙面焊構(gòu)造的研究主要圍繞裂紋擴(kuò)展情況、疲勞抗力問(wèn)題和焊接工藝而開(kāi)展，缺少相對(duì)基礎(chǔ)和系統(tǒng)的對(duì)比研究。本文基于實(shí)體有限元軟件，對(duì)鋼橋面板-縱肋構(gòu)造單面焊和雙面焊構(gòu)造主要裂紋起裂點(diǎn)疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比研究，研究過(guò)程和分析結(jié)果可為鋼橋設(shè)計(jì)和構(gòu)造選型提供參考。

1 主要疲勞失效模式

早期的鋼橋面板由不同厚度的板件通過(guò)全焊接連接組成，縱肋采用開(kāi)孔肋形式。隨著交通量的提高和寬幅大跨橋的不斷發(fā)展，由縱肋（閉口U肋）、橫隔板和頂板焊接連接，縱肋對(duì)接焊優(yōu)化為高強(qiáng)螺栓栓接連接的鋼橋面板應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)實(shí)橋疲勞裂紋統(tǒng)計(jì)分析［6］，鋼橋面板主要由3個(gè)疲勞細(xì)節(jié)組成，如圖1所示。

疲勞細(xì)節(jié)1為面板-縱肋構(gòu)造；疲勞細(xì)節(jié)2為橫隔板交叉構(gòu)造；疲勞細(xì)節(jié)3為縱肋對(duì)接構(gòu)造。在面板輪載作用下，3種疲勞細(xì)節(jié)中疲勞細(xì)節(jié)1和2疲勞裂紋出現(xiàn)較多，就危害程度而言，疲勞細(xì)節(jié)1裂紋擴(kuò)展至一定程度后，一方面會(huì)導(dǎo)致面板剛度下降，變形大，行車不穩(wěn)；另一方面裂紋裂穿面板瀝青鋪裝后，雨水滲漏至縱肋和鋼箱梁內(nèi)部，導(dǎo)致鋼箱梁銹蝕，影響耐久性。因此本文研究對(duì)象為疲勞細(xì)節(jié)1。單面焊構(gòu)造主要疲勞失效模式為焊根裂紋，雙面焊構(gòu)造主要疲勞失效模式為內(nèi)焊焊趾裂紋和外焊焊趾裂紋。

2 疲勞節(jié)段幾何尺寸

某大跨度公路寬幅斜拉橋鋼箱梁橋面板采用正交異性鋼橋面板，縱肋高度為300 mm，橫向中心距為600 mm；橫隔板間距為2 000 mm，高度為700 mm。研究文獻(xiàn)指出鋼橋面板疲勞范圍影響有限［7］，橫向3個(gè)縱肋及縱向3跨橫隔板節(jié)段足尺模型能夠得到面板-縱肋構(gòu)造應(yīng)力變化情況。橫向加載工況按騎縱肋加載進(jìn)行確定，縱向從第一節(jié)間邊橫隔板向第三節(jié)間邊橫隔板移動(dòng)加載，疲勞節(jié)段與加載位置如圖2所示，其中單面焊和雙面焊構(gòu)造α和β分別為50°和130°。

外側(cè)焊縫熔透率為75%，焊根未熔透高度為1 mm，焊縫相關(guān)參數(shù)均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）的要求［8］。內(nèi)焊在工廠內(nèi)采用簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，角焊縫焊腳尺寸為6 mm，雙面焊構(gòu)造外側(cè)焊縫尺寸參數(shù)與單面焊保持一致。按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)疲勞車進(jìn)行加載，輪載尺寸為200 mm（縱向）×600 mm（橫向），單輪荷載為60 kN。

3 有限元模型

按照實(shí)體單元進(jìn)行疲勞節(jié)段建模，模型采用Solid45線性單元，焊縫按照實(shí)際尺寸建立，關(guān)注位置焊縫單元網(wǎng)格控制在lt;2 mm，其余區(qū)域單元網(wǎng)格控制在lt;25 mm。由于關(guān)注位置處于第二節(jié)間跨中位置，與模型邊界相距較遠(yuǎn)，根據(jù)圣維南原理，對(duì)模型橫向兩側(cè)頂板、縱向兩側(cè)頂板和縱肋、豎向橫隔板底板分別進(jìn)行線位移約束?？v向加載步長(zhǎng)為100 mm，由于模型對(duì)稱，僅加載第一節(jié)間和第二節(jié)間半跨結(jié)構(gòu)，共計(jì)31個(gè)加載工況。所建立的有限元模型如圖3所示。

4 疲勞壽命

一般而言，疲勞應(yīng)力數(shù)值低于結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度，因此，輪載作用下結(jié)構(gòu)變形處于彈性狀態(tài)。為評(píng)估鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構(gòu)造的疲勞壽命，首先需要確定疲勞應(yīng)力幅。鋼橋面板-縱肋構(gòu)造主要受縱向單側(cè)標(biāo)準(zhǔn)疲勞車1 200 mm相鄰前后輪的輪載作用，在計(jì)算得到單個(gè)輪載疲勞應(yīng)力條件下，根據(jù)應(yīng)力疊加原理可以求得疲勞應(yīng)力歷程曲線，其次結(jié)合交通量數(shù)據(jù)對(duì)疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。

分別提取得到標(biāo)準(zhǔn)疲勞車單側(cè)前后輪輪載作用下，鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構(gòu)造主要疲勞失效模式裂紋萌生點(diǎn)處縱向應(yīng)力歷程變化曲線如圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼橋面板-縱肋構(gòu)造主要受主壓應(yīng)力作用，且輪載直接作用于關(guān)注位置正上方時(shí)，疲勞應(yīng)力數(shù)值達(dá)到最大值。根據(jù)泄水法計(jì)算單面焊焊根裂紋（失效模式Ⅰ）、雙面焊內(nèi)側(cè)焊縫焊趾裂紋（失效模式Ⅱ）和雙面焊外側(cè)焊縫焊趾裂紋（失效模式Ⅲ）最大疲勞應(yīng)力幅分別為80.5 MPa、51.4 MPa和62.2 MPa，其余應(yīng)力幅水平較小，疲勞損傷可忽略。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)交通量，根據(jù)損傷等效原則，確定疲勞破壞次數(shù)，然后結(jié)合損傷度求得疲勞壽命，見(jiàn)后頁(yè)表1。對(duì)于鋼橋面板-縱肋構(gòu)造而言，雙面焊構(gòu)造疲勞壽命明顯高于單面焊構(gòu)造，雙面焊構(gòu)造疲勞抗力較優(yōu)，具有一定的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某大跨度公路寬幅斜拉橋鋼箱梁橋面板節(jié)段模型進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，得到了鋼橋面板-縱肋單面焊和雙面焊構(gòu)造的疲勞應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估，得出主要結(jié)論如下：

（1）雙面焊構(gòu)造主要疲勞失效模式處的疲勞應(yīng)力幅均小于單面焊構(gòu)造，且采用雙面焊構(gòu)造后，最不利疲勞應(yīng)力幅位于外側(cè)焊縫焊趾處，相比于單面焊焊根裂紋而言，使得疲勞裂紋更易于觀測(cè)，便于后期維修加固。

（2）單面焊和雙面焊構(gòu)造疲勞壽命分別為82.0萬(wàn)次和178.2萬(wàn)次，雙面焊構(gòu)造疲勞性能更優(yōu)。對(duì)于車流量較高、重車比例較大的大跨度鋼橋而言，采用雙面焊構(gòu)造是保證鋼橋面板長(zhǎng)壽命服役的有效措施之一。

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