基于局部精細化有限元模型的鋼箱梁橋疲勞壽命評估研究

樊星辰

(合肥市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

鋼橋具有跨越能力強、施工周期短、易安裝、構(gòu)件檢視維修更換等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用在大跨徑跨江、跨海及市政工程建設(shè)中。而在運營期間，鋼橋在汽車、風等外界荷載長期反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞損傷。近年來國內(nèi)外學者對鋼橋疲勞問題開展了大量研究，取得了一定成果，但仍有不足。例如，我國規(guī)范未考慮疲勞車輛荷載多車效應(yīng)和沖擊效應(yīng)，鋼板厚度對于疲勞壽命影響等研究較少等等。針對以上不足，本文基于我國現(xiàn)行《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》中的修正S-N曲線，以(45+70+45)m鋼箱梁橋為例，通過建立高效率的局部精細化有限元模型，對該橋進行疲勞壽命評估，同時分析局部板厚對疲勞壽命的影響。

1 疲勞車輛荷載

疲勞荷載包括車輛荷載、人群荷載、風荷載、地震荷載等，運營期間車輛荷載占主導(dǎo)，因此，疲勞壽命評估的第一步就是確定車輛荷載模型。通常確定疲勞車輛模型的方法主要有調(diào)查統(tǒng)計法和規(guī)范法，如表1所示。

表1 疲勞車輛荷載方法及優(yōu)缺點對比

由于實橋交通數(shù)據(jù)獲取難度大，同時兼顧工程設(shè)計的普適應(yīng)，本例參考我國現(xiàn)行《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》，選擇疲勞荷載計算模型III作為標準疲勞車荷載模型。該模型采用單車模型，模型軸載及分布規(guī)定，如圖1所示。

圖1 我國公路規(guī)范標準疲勞車輛模型III

2 沖擊作用及多車效應(yīng)

我國現(xiàn)行橋梁規(guī)范未考慮疲勞車輛的沖擊作用對于疲勞壽命的影響。而橋梁運營期間，汽車行駛在橋面會引起結(jié)構(gòu)振動，從而增加汽車荷載的作用效應(yīng)，在對橋梁進行疲勞評估時，這部分增大效應(yīng)不可忽略。本文借鑒美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范AASHTO規(guī)范中沖擊系數(shù)取0.15。

正常運營中，橋梁不可避免存在多車同時行駛在一聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)的情況，從而產(chǎn)生相對單車荷載增大的內(nèi)力效應(yīng)，加速疲勞細節(jié)處的破壞。因此，在疲勞壽命評估時也不應(yīng)忽視多車效應(yīng)的影響。我國現(xiàn)行鋼橋規(guī)范僅對疲勞荷載模型II雙車模型的布置距離做上限要求，但實際使用不便且無法統(tǒng)一。本文參考英國BS5400規(guī)范，采用修正系數(shù)法確定多車效應(yīng)的增大系數(shù)，如圖2所示。本例中橋梁最大跨徑為70 m。按最不利情況對應(yīng)的多車道修正系數(shù)K=1.3。

圖2 多車道效應(yīng)修正系數(shù)圖中：y-同一車道上作用有多輛疲勞車時的修正系數(shù)；z-不同車道上作用有多輛疲勞車時產(chǎn)生同一符號應(yīng)力情況下的修正系數(shù)；K-疲勞車在不同車道上單獨作用時產(chǎn)生的應(yīng)力之比。

3 基于疲勞壽命研究基本方法

目前有關(guān)疲勞壽命研究的方法有基于S-N曲線和米勒線性累計損傷準則的傳統(tǒng)評估法、斷裂力學理論評估法、損傷力學理論評估法以及基于可靠度理論評估法等方法，如表2所示。

表2 疲勞壽命研究方法及優(yōu)缺點對比

結(jié)合以上優(yōu)缺點分析，本文采用傳統(tǒng)評估法對橋梁進行疲勞壽命評估。

4 疲勞壽命曲線

疲勞壽命曲線，即S-N曲線，也稱為wohler曲線。該曲線以疲勞壽命N為橫坐標，△σ為縱坐標，建立疲勞荷載和疲勞壽命之間關(guān)系。本文在對比國內(nèi)外規(guī)范的疲勞強度曲線后選擇我國規(guī)范修正的S-N曲線作為本次評估的疲勞壽命曲線，對比選擇的技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 基于國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范的疲勞壽命曲線分析選擇技術(shù)路線圖

5 基于有限元模型的鋼橋疲勞壽命計算

使用有限元分析軟件Midas FEA建立多尺度局部精細化鋼箱梁橋有限元模型，如圖4所示。該橋中跨跨中三分之一段為2D板殼單元，其余部分為梁單元，不同單元通過附近節(jié)點形成剛性連接。通過局部精細化模型計算分析，重點研究中跨跨中區(qū)域疲勞細節(jié)處的疲勞壽命。參考國內(nèi)學者研究成果，選擇疲勞細節(jié)部位為橫隔板與U肋連接處，如圖5所示。

圖4 局部精細化有限元模型

圖5 鋼箱梁橋跨中處疲勞細節(jié)示意圖

通過施加節(jié)點動力荷載，完成時程分析，得到應(yīng)變隨時程的結(jié)果后與靜力加載條件下應(yīng)變結(jié)果求比值，可繪出橫隔板與U肋連接處應(yīng)力歷程，如圖6所示。

圖6 橫隔板與U肋連接處應(yīng)力時程圖

根據(jù)本文前節(jié)所述，參考我國現(xiàn)行鋼橋規(guī)范中疲勞荷載計算模型III，分別(1)傳統(tǒng)S-N曲線；(2)我國規(guī)范修正的S-N曲線并考慮沖擊和多車效應(yīng)兩種控制工況，對橋梁細部結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命評估，結(jié)果如表3，圖7所示。

表3 不同工況下疲勞壽命分析結(jié)果

圖7 考慮沖擊作用和多車效應(yīng)的疲勞壽命分析結(jié)果

研究考慮沖擊及多車效應(yīng)后不同鋼板厚度對于疲勞壽命影響。通過控制不同板厚參數(shù)，得到該橋控制點處疲勞壽命如表4所示。

由表4分析結(jié)果表明：(1)采用我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范修正的S-N曲線并考慮沖擊和多車效應(yīng)對鋼箱梁細節(jié)處疲勞壽命評估是僅考慮傳統(tǒng)S-N曲線結(jié)果的0.8倍；說明僅采用修正的S-N曲線進行疲勞壽命評估偏不安全；(2)增大評估細節(jié)處的板厚會提高6%的疲勞壽命，而增大相接觸加勁肋板厚僅提高1%疲勞壽命。

表4 不同控制參數(shù)(板厚)疲勞壽命分析結(jié)果

6 結(jié) 論

本文參考國內(nèi)外有關(guān)疲勞壽命評估的研究及現(xiàn)行規(guī)范，對比分析了疲勞壽命方法、疲勞壽命曲線等評估過程相關(guān)的優(yōu)缺點。以(45+70+45)m鋼箱梁橋為例，建立Midas FEA局部精細化模型，通過控制參數(shù)改變，對細節(jié)處進行疲勞壽命評估對比。分析可知，采用我國規(guī)范修正的S-N曲線并考慮多車效應(yīng)和沖擊效應(yīng)的疲勞壽命評估偏安全，具有一定工程意義；適當增大板材厚度是提高疲勞壽命的簡單有效方法。