鋼橋面板局部構(gòu)造細(xì)節(jié)受力特性分析

程 苗

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000)

正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜，頂板、縱肋與橫肋主要采用焊縫連接，應(yīng)力集中問題突出。在車輪荷載作用下，焊縫連接處易出現(xiàn)疲勞損傷[1，2]。目前國內(nèi)采用鋼箱梁的大跨徑橋梁，雖然使用時(shí)間不長，但已有部分鋼橋面板出現(xiàn)了疲勞裂紋。鋼橋面板一旦出現(xiàn)疲勞裂紋，維修和加固都非常困難，嚴(yán)重影響橋梁整體安全性。因此，針對鋼橋面板易出現(xiàn)疲勞損傷的部位，有必要研究其受力性能，從而更好評估疲勞損傷。

1 鋼橋面板有限元模型

相關(guān)文獻(xiàn)指出鋼橋面板模型橫向取6根及以上U肋、縱向取3個(gè)以上橫隔板間距時(shí)，其計(jì)算結(jié)果與整體模型的計(jì)算結(jié)果相差不大[3]。根據(jù)江蘇省江陰長江大橋設(shè)計(jì)圖紙，采用通用有限元分析軟件ANSYS建立鋼橋面板節(jié)段模型。鋼橋面板節(jié)段長12.8 m，寬4.2 m，設(shè)5道橫隔板，橫隔板間距3.2 m。鋼橋面板頂板厚12 mm，橫隔板厚10 mm，U肋尺寸為300 mm×280 mm×6 mm。模型采用Shell63板殼單元模擬，網(wǎng)格尺寸為0.2 m。對所選擇的構(gòu)造細(xì)節(jié)部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，最小單元尺寸為10 mm×10 mm。鋼的彈性模量取為2.06×105MPa，泊松比取為0.3。圖1為鋼橋面板有限元模型。

圖1 鋼橋面板有限元模型

為了盡可能反映鋼橋面板在實(shí)橋中的受力特點(diǎn)，有限元模型邊界條件按如下方式施加：對橫隔板約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；對U肋兩端和頂板四周則只約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。根據(jù)Saint-Venant原理，若采用上述邊界條件，只要研究的疲勞細(xì)節(jié)距邊界一定的距離，則不會與實(shí)橋中的鋼橋面板產(chǎn)生較大偏差。

2 車輪計(jì)算荷載

參考公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范[4]，車輪荷載的輪胎作用面積，單輪沿橫橋向、順橋向作用長度分別取0.3 m與0.2 m，雙輪沿橫橋向、順橋向作用長度分別取0.6 m與0.2 m。根據(jù)大橋的等效車輛荷載模型可知，車輛的最大軸載值為150 kN(即車輪荷載為75 kN)。本文采用單輪和雙輪兩種形式進(jìn)行加載，其橫向加載位置如圖2所示，不考慮鋪裝層對車輪荷載的擴(kuò)散作用。

圖2 車輪橫向加載示意圖

在同一車道上一般有多輛車輛行駛，或者在多個(gè)車道上有多輛車輛交替行駛，即為多車效應(yīng)。由于鋼橋面板的縱向、橫向應(yīng)力影響線均較短，所以在鋼橋面板的應(yīng)力幅計(jì)算中可以忽略車輪作用的相互影響。因此，在下面的分析中，不考慮多車效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力幅疊加效應(yīng)，在順橋向、橫橋向僅考慮單個(gè)車輪的作用效應(yīng)。

3 局部構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力分析

參照鋼橋面板易出現(xiàn)疲勞裂紋的位置及類型，對頂板與U肋連接焊縫過焊孔處和橫隔板弧形缺口處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。頂板細(xì)節(jié)處取橫向應(yīng)力，U肋細(xì)節(jié)處取沿U肋腹板方向的應(yīng)力，橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接處取垂直于焊縫方向的應(yīng)力，橫隔板弧形缺口有效截面最小處取豎直方向的應(yīng)力。

(1)頂板與U肋連接焊縫過焊孔處應(yīng)力分析。

圖3為單輪和雙輪作用下橫向三種不同加載位置所對應(yīng)的頂板與U肋連接焊縫過焊孔處頂板細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線。由圖3可知，在單輪P1和雙輪P4作用下，頂板細(xì)節(jié)受力最為不利，橫向最大應(yīng)力分別達(dá)到-215.60 MPa和-82.66 MPa。對于頂板細(xì)節(jié)，在相同車載作用下，單輪引起的應(yīng)力要比雙輪引起的應(yīng)力大一倍多，故增大車輪與橋面的接觸面積可以改善頂板細(xì)節(jié)的受力。

圖3 車載作用下頂板細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線

圖4為單輪和雙輪作用下橫向三種不同加載位置時(shí)頂板細(xì)節(jié)的應(yīng)力分布圖。由圖4可知，頂板細(xì)節(jié)處的應(yīng)力隨距焊趾位置的增大而逐漸減小。

圖4 車載作用下頂板細(xì)節(jié)應(yīng)力分布圖

在單輪P1和P2作用下，頂板細(xì)節(jié)距焊趾0.5t(t為頂板厚度)處的應(yīng)力值比距焊趾1.5t處的應(yīng)力值高47%左右，另外，頂板細(xì)節(jié)距焊趾同一位置處應(yīng)力值在單輪P1作用下要比單輪P2作用下高68%左右；在雙輪P4和P5作用下，頂板細(xì)節(jié)的應(yīng)力分布情況基本相同，距焊趾0.5t(t為頂板厚度)處的應(yīng)力值比距焊趾1.5t處的應(yīng)力值高55%左右，另外，頂板細(xì)節(jié)距焊趾同一位置處應(yīng)力值在雙輪P4作用下要比雙輪P6作用下高60%左右。

圖5為單輪和雙輪作用下，橫向三種不同加載位置所對應(yīng)的頂板與U肋連接焊縫處U肋細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線。由圖5可知，在單輪P1和雙輪P4作用下，U肋細(xì)節(jié)的受力最為不利，最大應(yīng)力分別達(dá)到105.39 MPa和50.16 MPa。

圖5 車載作用下U肋細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線

圖6為單輪和雙輪作用下橫向三種不同加載位置時(shí)U肋細(xì)節(jié)的應(yīng)力分布圖。由圖6可知，在單輪作用下，U肋細(xì)節(jié)處的應(yīng)力隨距焊趾位置的增大呈增大的趨勢，增幅在19%～33%之間，U肋細(xì)節(jié)距焊趾同一位置處應(yīng)力值在單輪P1作用下要比單輪P3作用下大6倍左右；在雙輪作用下，隨著距焊趾位置的增大，U肋細(xì)節(jié)處的最大增幅只有18%左右，U肋細(xì)節(jié)距焊趾同一位置處應(yīng)力值在雙輪P4作用下要比雙輪P6作用下高64%左右。

圖6 車載作用下U肋細(xì)節(jié)應(yīng)力分布圖

(2)橫隔板弧形缺口處應(yīng)力分析。

圖7為單輪和雙輪作用下橫向三種不同加載位置所對應(yīng)的橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線。橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)主要承受的是壓應(yīng)力，最大應(yīng)力峰值在車輪荷載作用在橫隔板旁邊時(shí)出現(xiàn)。單輪P2和雙輪P5的橫向加載位置最為不利，垂直于焊縫方向的最大應(yīng)力值分別為-11.60 MPa和-12.18 MPa。

圖7 車載作用下橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線

圖8為單輪和雙輪作用下橫向三種不同加載位置時(shí)橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)的最不利應(yīng)力分布圖。由圖8可知，橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)處的應(yīng)力隨距焊趾位置的增大呈先增大后減小的趨勢，這可能是由于橫隔板弧形缺口引起的剛度突變造成的。

圖8 車載作用下橫隔板與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)的應(yīng)力分布圖

圖9為單輪和雙輪作用下橫向三種不同加載位置所對應(yīng)的橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線。由圖9可知，橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)主要承受的也是壓應(yīng)力，最大應(yīng)力峰值在車輪荷載作用于橫隔板正上方時(shí)出現(xiàn)。單輪P2和雙輪P5的橫向加載位置最為不利，豎直方向的最大應(yīng)力分別達(dá)到-97.73 MPa和-52.07 MPa。

圖9 車載作用下橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線

圖10為單輪和雙輪作用下橫向三種不同加載位置時(shí)橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)的最不利應(yīng)力分布圖。由圖10可知，橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)的應(yīng)力隨距缺口邊緣的增大而減小。在單輪作用下，該細(xì)節(jié)距缺口邊緣5 mm處的應(yīng)力值比距缺口邊緣15 mm處的應(yīng)力值高43%～64%，另外，該細(xì)節(jié)距缺口邊緣同一位置處應(yīng)力值在單輪P2作用下要比單輪P1作用下高40%左右；在雙輪作用下，該細(xì)節(jié)距缺口邊緣5 mm處的應(yīng)力值比距缺口邊緣15 mm處的應(yīng)力值高55%左右，另外，該細(xì)節(jié)距缺口邊緣同一位置處應(yīng)力值在雙輪P5作用下要比雙輪P4作用下高14%左右。

圖10 車載作用下橫隔板弧形缺口有效截面最小處的應(yīng)力分布圖

4 結(jié) 論

(1)在單輪和雙輪荷載作用下，頂板與U肋連接焊縫處頂板細(xì)節(jié)和U肋細(xì)節(jié)的橫向最不利加載位置是一致的；橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)和橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)的橫向最不利加載位置也是一致的。

(2)頂板細(xì)節(jié)和U肋細(xì)節(jié)的應(yīng)力峰值都是在車輪荷載作用在橫隔板正上方時(shí)出現(xiàn)。在單輪作用下，頂板細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力值是U肋細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力值的兩倍左右；在雙輪作用下，頂板細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力值比U肋細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力值大64%左右。在車載作用下，疲勞損傷更容易產(chǎn)生在頂板細(xì)節(jié)處，這與實(shí)際情況也是相吻合的。

(3)橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力值都是在車輪荷載作用在橫隔板旁邊時(shí)出現(xiàn)。而對于橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)，在單輪作用下，最大應(yīng)力值是在車輪荷載作用在橫隔板正上方時(shí)出現(xiàn)；在雙輪作用下，最大應(yīng)力值是在車輪荷載作用在橫隔板旁邊時(shí)出現(xiàn)。另外，在單輪作用下，橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力值要比橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)的應(yīng)力值大7倍左右；在雙輪作用下，橫隔板弧形缺口有效截面最小處細(xì)節(jié)的最大應(yīng)力值要比橫隔板弧形缺口與U肋腹板連接焊縫細(xì)節(jié)的應(yīng)力值大5倍左右。