基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞性能分析

郭世杰,郭亞文

（1.四川高速公路建設(shè)開發(fā)集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000; 2. 四川交投設(shè)計(jì)咨詢研究院有限責(zé)任公司,四川 成都 610000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)板件本身承載能力差，實(shí)際工程中往往通過栓接、鉚接、焊接等手段將板件連接形成空間受力構(gòu)件，以增強(qiáng)承載能力，在橋梁建設(shè)中，正交異性鋼橋面板（簡稱鋼橋面板）就是其中之一。鋼橋面板將縱肋、橫隔板和頂板通過自動化焊接工藝形成縱、橫向受力不同的空間結(jié)構(gòu)，一方面，與混凝土梁相比，鋼梁自重大大降低，能夠適用于大跨結(jié)構(gòu)中，另一方面，鋼橋面板各向承載能力增強(qiáng)，同時(shí)在箱內(nèi)增設(shè)順橋向橫隔板，能夠增大鋼箱梁寬度，提高通行能力。結(jié)合工業(yè)化建造水平的不斷提高及目前交通“大流量、重車多”的特點(diǎn)，鋼橋面板因其突出的力學(xué)性能和自動化制造工藝，在各類橋型中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明[1]，鋼橋面板縱肋連接部位出現(xiàn)了較多的疲勞裂紋，占比約為所有疲勞開裂的1/5，該位置出現(xiàn)疲勞裂紋后，難以檢測加固，且裂紋后期擴(kuò)展迅速，一旦貫穿頂板，直接影響鋼箱梁耐久性和交通安全。為提高該細(xì)節(jié)疲勞抗力，在縱肋內(nèi)側(cè)施加角焊縫，形成受力較好的雙面焊。朱庚申對鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，確定了典型加載工況[2]。吳波建立鋼橋面板縱肋雙面焊斷裂力學(xué)分析模型，確定了該位置主導(dǎo)疲勞失效模式[3]。目前研究對鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞性能影響因素分析較少，熔透率和橫隔板間距是雙面焊關(guān)鍵參數(shù)，該文借助有限元模型，分析了幾種不同熔透率和橫隔板間距下的雙面焊疲勞應(yīng)力，以期提高設(shè)計(jì)人員對該部位疲勞性能的認(rèn)識。

1 鋼橋面板縱肋雙面焊

鋼橋面板縱肋雙面焊內(nèi)側(cè)焊縫為角焊縫，由于縱肋內(nèi)側(cè)空間較小，一般在工廠內(nèi)采用機(jī)器人焊接，焊接質(zhì)量能夠得到保證。外側(cè)焊縫與傳統(tǒng)單面焊構(gòu)造尺寸及焊接參數(shù)基本一致，可采用埋弧焊、氣保焊等焊接形式，該文主要研究橫隔板節(jié)間內(nèi)的雙面焊疲勞性能，鋼橋面板縱肋雙面焊如圖1所示。

圖1 鋼橋面板縱肋雙面焊圖示

2 工程背景

國內(nèi)某高速公路斜拉橋主梁橋面板采用鋼橋面板縱肋雙面焊形式，由于鋼橋面板疲勞輪載橫橋向影響線范圍較短，文獻(xiàn)表明橫橋向取兩個(gè)相鄰縱肋能夠反映構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞特征[2]，且頂板、縱肋支承于橫隔板上，根據(jù)多點(diǎn)支承連續(xù)梁受力特征，縱橋向取四個(gè)橫隔板進(jìn)行分析，該斜拉橋疲勞節(jié)段模型如圖2所示，關(guān)鍵板件厚度：頂板16 mm，縱肋8 mm，橫隔板14 mm?？v肋開口寬300 mm，高280 mm，橫隔板間距為2 m。取縱肋懸臂長度為0.5 m。該橋雙面焊焊縫熔透率為75%，α、β分別為50°和130°。關(guān)注位置為第二跨跨中鋼橋面板縱肋雙面焊處。

圖2 研究對象幾何尺寸（單位：mm）

3 熱點(diǎn)應(yīng)力分析方法

鋼橋面板縱肋雙面焊主導(dǎo)疲勞失效模式為裂紋出現(xiàn)在縱肋外側(cè)熔透焊焊趾位置，沿頂板厚度開裂[3]。名義應(yīng)力分析方法對應(yīng)力取值點(diǎn)比較敏感，不利于數(shù)據(jù)分析。斷裂力學(xué)理論模型難以確定，導(dǎo)致難以建立包含初始焊接缺陷裂紋體子模型的數(shù)值有限元分析模型，建模困難，且裂紋擴(kuò)展模擬與實(shí)際缺陷的隨機(jī)性分布有較大誤差，采用斷裂力學(xué)方法得到的計(jì)算結(jié)果難以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。損傷力學(xué)能夠?qū)︿摌蛎姘迤谛阅苓M(jìn)行評估，主要存在問題有：①損傷力學(xué)計(jì)算的核心是確定損傷本構(gòu)模型，但該模型涉及的損傷參數(shù)較多，需要大量的模型試驗(yàn)進(jìn)行擬合得到；②損傷力學(xué)研究范疇比較局限，一般用于疲勞裂紋萌生階段，該階段與結(jié)構(gòu)微觀性能直接相關(guān)，確定疲勞損傷機(jī)理較為困難。因此損傷力學(xué)研究方法在鋼橋面板中應(yīng)用相對較少。考慮到以上評估方法理論較為復(fù)雜、建模困難，國際焊接協(xié)會（IIW）推薦了熱點(diǎn)應(yīng)力方法[4]，該方法適用于焊接構(gòu)件焊趾處疲勞性能分析。熱點(diǎn)指開裂點(diǎn)，IIW中第一種熱點(diǎn)計(jì)算方法簡單適用，且計(jì)算結(jié)果可靠。該方法應(yīng)力取值點(diǎn)如圖3所示，其中t為頂板厚度。

圖3 IIW第一種熱點(diǎn)計(jì)算方法應(yīng)力取值點(diǎn)

第一種熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法對模型網(wǎng)格和單元類型要求不高。焊縫處結(jié)構(gòu)由于幾何構(gòu)型不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力存在波動，且應(yīng)力數(shù)值往往受幾何構(gòu)造和切口的綜合影響，而熱點(diǎn)取值為焊趾母材處最大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，基本考慮了以上因素。熱點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值為膜應(yīng)力和殼彎曲應(yīng)力之和，不受非線性峰值應(yīng)力影響，目前熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算主要采用兩種方法：表面外推計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法，其中表面外推計(jì)算方法概念清晰，因此該方法在鋼橋中應(yīng)用較為廣泛，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

實(shí)際計(jì)算中，通過分別提取距離焊趾0.4t和1.0t處的疲勞應(yīng)力σ0.4t和σ1.0t，通過線性外推計(jì)算得到焊趾（即疲勞熱點(diǎn)）的熱點(diǎn)應(yīng)力σhs，疲勞熱點(diǎn)外推計(jì)算公式見式（1），其中σ0.4t和σ1.0t通過可實(shí)體有限元模型計(jì)算提取得到，在進(jìn)行有限元模型計(jì)算時(shí)，應(yīng)將提取應(yīng)力點(diǎn)附近網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，確保計(jì)算結(jié)果可靠。

4 有限元模型

選取歐規(guī)Eurocode 3標(biāo)準(zhǔn)疲勞車進(jìn)行加載[5]，單個(gè)輪載尺寸為400 mm×400 mm，荷載大小為60 t。研究表明：鋼橋面板疲勞問題主要為局部問題，疲勞應(yīng)力橫向影響線較短，一般采用三種典型工況能夠?qū)︿摌蛎姘迤谛阅苓M(jìn)行較為精確的研究，取典型加載工況形式為輪載作用于鋼橋面板縱肋雙面焊正上方，該橫向位置為受力不利形式[2]，鋼橋面板疲勞應(yīng)力受標(biāo)準(zhǔn)疲勞車單側(cè)相鄰的兩個(gè)輪載影響，模型分析時(shí)，為計(jì)算方便，實(shí)際采用單輪加載，雙輪下的疲勞應(yīng)力通過縱向影響線疊加得到。加載工況及疲勞車形式如圖4所示。

圖4 加載工況及疲勞車形式（單位：mm）

將研究對象進(jìn)行實(shí)體單元離散化，關(guān)注位置網(wǎng)格加密處理，單元采用精度較高的二次實(shí)體單元，其余位置采用尺寸較大的線性實(shí)體單元，以提高計(jì)算效率。對模型橫橋向兩側(cè)頂板與橫隔板、縱橋向一側(cè)頂板與縱肋、橫隔板底部豎向分別約束該方向位移，以模擬在實(shí)橋中受周圍板件的支承效果?；谟邢拊浖?，利用子模型技術(shù)建立研究對象有限元模型，如圖5所示。

圖5 有限元模型

一般而言，內(nèi)側(cè)角焊縫尺寸比較固定，該文主要選取外側(cè)熔透焊熔透率分別為50%、75%和100%進(jìn)行分析，實(shí)際焊接時(shí)，外側(cè)熔透率往往不容易得到保證，尤其是當(dāng)熔透率為100%，即全熔透焊接形式，該焊接形式不可避免地引入夾雜、焊瘤、氣孔等焊接缺陷，因此取不同熔透率下鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞性能分析是十分必要的。此外，實(shí)橋中，橫隔板間距較多采用2 m、2.5 m和3 m，橫隔板間距過小，將造成鋼橋面板重量增加，難以適應(yīng)大跨度結(jié)構(gòu)形式橋梁，橫隔板間距過大，將導(dǎo)致頂板與縱肋豎向變形增大，不利于行車安全。結(jié)合所選取的研究對象尺寸參數(shù)，對以上不同熔透率和橫隔板間距進(jìn)行分析，以探明相關(guān)參數(shù)對鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞性能的影響。由于模型縱向?qū)ΨQ，每個(gè)模型輪載移動加載步長均取100 mm。

5 結(jié)果分析

鋼橋面板縱肋焊接接頭主要受主壓應(yīng)力作用，由于該接頭往往存在較大的焊接殘余拉應(yīng)力，焊接殘余拉應(yīng)力與荷載作用下的主壓應(yīng)力疊加后，使該接頭處于拉-拉應(yīng)力循環(huán)狀態(tài)或拉-壓應(yīng)力循環(huán)狀態(tài)，從而引起疲勞開裂。實(shí)際分析時(shí)，由于殘余拉應(yīng)力為初始應(yīng)力，難以避免和消除，一般僅考慮外荷載作用而忽略殘余拉應(yīng)力作用，因此選取疲勞車作用下的主壓應(yīng)力作為疲勞代表應(yīng)力。以圖4中單側(cè)相鄰的兩個(gè)輪載中心位置為橫坐標(biāo)，通過式（1）計(jì)算得到不同熔透率和橫隔板間距鋼橋面板縱肋雙面焊主導(dǎo)疲勞失效模式下的熱點(diǎn)應(yīng)力歷程，分別如圖6和圖7所示。通過計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力歷程下的疲勞應(yīng)力幅，以進(jìn)行疲勞性能分析。

圖6 不同熔透率下的熱點(diǎn)應(yīng)力歷程

圖7 不同橫隔板間距下的熱點(diǎn)應(yīng)力歷程

計(jì)算結(jié)果表明：

（1）當(dāng)輪載作用于關(guān)注位置正上方時(shí)，主壓應(yīng)力數(shù)值達(dá)到最大值，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞應(yīng)力屬于局部輪載應(yīng)力，縱向影響范圍約為2 m，說明疲勞車模型中，疲勞應(yīng)力僅受前輪或后輪的影響，并不受前輪和后輪的疊加影響。

（2）三種不同熔透率下，鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞應(yīng)力幅大小基本相同，均在45 MPa左右，說明該細(xì)節(jié)對熔透率參數(shù)不敏感。

（3）橫隔板間距對鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞應(yīng)力影響較大，橫隔板間距分別為2 m、2.5 m和3 m時(shí)，疲勞應(yīng)力幅分別為45.3 MPa、41.8 MPa和38.7 MPa，橫隔板間距為3 m時(shí)，疲勞性能更優(yōu)。

6 結(jié)語

以鋼橋面板縱肋雙面焊為研究對象，借助有限元數(shù)值模擬軟件，基于熱點(diǎn)應(yīng)力法對不同熔透率和橫隔板下的疲勞應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，分別得到了熱點(diǎn)應(yīng)力歷程變化曲線。不同參數(shù)下，鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞應(yīng)力幅均較小，滿足設(shè)計(jì)要求，與縱肋外側(cè)焊縫熔透率參數(shù)相比，橫隔板間距參數(shù)對鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞性能影響較大，結(jié)合不同橫隔板下鋼橋面板縱肋雙面焊疲勞應(yīng)力變化規(guī)律，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)橫隔板間距可適當(dāng)做大。