螺栓力損失對焊接式索夾疲勞性能的影響

宋健，薛松領，李 輝，李鴻盛

（1.中交一公局重慶萬州高速公路有限公司，重慶市 404100；2.西南交通大學，四川 成都 610031）

0 引言

在懸索橋中，索夾通過螺栓緊固在主纜之上，通過對螺栓提供預緊力從而保證索夾不會發(fā)生滑移。然而在懸索橋運營的過程中，螺栓力會發(fā)生松弛［1-3］。如泰州長江大橋、南京第四長江大橋及西堠門大橋等橋梁的索夾螺栓均發(fā)生過松弛現(xiàn)象。索夾螺栓力松弛受許多因素的影響，如螺栓緊固順序、接觸面材料及結合面間隙等。由此可見，在懸索橋運營過程中螺栓力松弛是不可避免的［4-6］。螺栓力松弛對懸索橋結構及相連構件產(chǎn)生的影響需根據(jù)具體問題具體分析。

重慶萬州新田長江大橋是一座主跨1 020 m 單跨懸吊鋼箱加勁梁懸索橋，其邊跨無吊索索夾和中跨有吊索的SJ5 類索夾中8 個索夾采用了焊接式索夾。萬州新田長江大橋首次采用焊接索夾，在全壽命周期中，不同狀態(tài)下索夾焊縫疲勞是設計和建造最為關心的問題。本文研究在橋梁運營過程中索夾螺栓力松弛對焊接式索夾焊縫疲勞性能的影響。首先對焊接式索夾進行幾何構造分析；然后通過Abaqus 建立焊接式索夾有限元模型，分析索夾在不同的吊索力下和不同的螺栓力損失情況下的應力分布。對比分析了螺栓力損失對焊接式索夾焊縫應力幅的影響。通過規(guī)范所提供的適用本模型的試驗數(shù)據(jù)，計算出相應的疲勞壽命。最后對螺栓力松弛對焊接式索夾疲勞性能的影響做了相應的評價。

1 分析方法與流程

分析之前，必須明確結構的材料屬性，材料屬性的正確選擇直接關系到模型分析的準確性。本文通過查找之前的參考文獻以及試驗數(shù)據(jù)給出了模型的材料屬性；其次必須充分了解結構的幾何構造，本文建立與實際情況相同的數(shù)值模型，此過程可借助通用有限元軟件實現(xiàn)。

在確定了合適的材料參數(shù)之后，建立重慶萬州新田長江大橋全橋模型，分析焊接式索夾在吊索力以及螺栓力共同作用下的受力狀態(tài)。通過改變螺栓力而實現(xiàn)焊縫處應力幅的變化，研究螺栓力的松弛對焊縫處應力幅的影響。查找適合于本模型的相應文件的試驗數(shù)據(jù)分析螺栓力松弛對焊接式索夾疲勞性能的影響。具體分析流程圖如圖1 所示。

圖1 分析流程圖

2 螺栓力松弛對索夾焊縫應力幅的影響

2.1 焊接式索夾應力分析

建立如圖2 所示的焊接式索夾模型，由圖2（a）可知：焊接式索夾共有4 條角焊縫和3 條受拉焊縫。其中受拉焊縫受到疲勞荷載的作用，因此需對這3條受拉焊縫進行疲勞分析。螺栓彈性模量為E=210 GPa，泊松比為0.3。螺栓之間法向接觸采用增廣的拉格朗算法，切向接觸采用罰函數(shù)算法，摩擦系數(shù)為0.15。索夾采用鋼構件，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3。主纜的彈性模量采用等效彈性模量計算，在緊纜前其初始空隙率為20%，在緊纜后其空隙率為18%，等效彈性模量為3.7 GPa，泊松比 為0.3［7］。焊 縫 采 用E55 型 焊 條，其 屈 服 強 度 為440 MPa，抗拉強度為550 MPa。主纜與索夾之間采用庫侖摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.15。其裝配有限元模型見圖2（b）。

圖2 焊接式索夾分析模型圖

焊接式索夾采用6 個螺栓，螺栓力均為817 kN。螺栓力會在緊纜的過程中發(fā)生損失，在緊纜后對損失的螺栓力進行補充，使螺栓力保持為817 kN。在實際橋梁的運營過程中，焊接式索夾上的螺栓處于常溫狀態(tài)，故可以忽略螺栓的高溫蠕變影響。大量參考文獻表明：在不考慮螺栓由于蠕變引起的松弛效應時，螺栓力的損失主要由機械松動引起，在本模型中考慮由于吊索疲勞荷載振動引起螺栓相對滑動而導致的螺栓力損失。萬州新田長江大橋恒載下分析出索夾受到吊索力為1 980.6 kN。

為了防止分析過程中由于網(wǎng)格劃分而產(chǎn)生應力奇異的現(xiàn)象，采用自適應網(wǎng)格技術，以前后兩次應力差相差不超過5%為準則劃分出比較合理的網(wǎng)格。分析結果如圖3 所示。

圖3 緊纜后恒載作用下焊接式索夾應力（單位：MPa）

由圖3 可知：緊纜后恒載作用下焊接式索夾焊縫最大應力為156.7 MPa，遠低于材料屈服強度。在焊縫處和螺栓處有應力集中。

2.2 螺栓力損失對焊縫應力幅的影響分析

萬州新田長江大橋恒載和疲勞荷載下分析出索夾受到吊索力為2 340 kN。按照2.1 節(jié)所示方法，分析焊接式索夾在此吊索力下的應力分布。在橋梁的運營過程中索夾上螺栓力會發(fā)生損失，分別考慮螺栓力損失5%，10%，15%，…，40%，45%時焊接式索夾應力分布，并分析螺栓力損失對焊縫應力幅的影響。圖4 為焊接式索夾在恒載作用下焊縫應力分布隨螺栓力損失變化圖。圖5 為焊接式索夾在疲勞荷載作用下焊縫應力分布隨螺栓力損失變化圖。提取Abaqus 中的計算結果，詳細計算結果見表1、2。

表1 恒載下計算結果

圖4 恒載作用下隨螺栓力損失的焊縫應力分布（單位：MPa）

圖5 疲勞荷載作用下隨螺栓力損失焊縫應力分布（單位：MPa）

由圖4、5 和表1、2 可知：螺栓力的損失使索夾的應力狀態(tài)發(fā)生了改變，焊縫處的應力有所降低，恒載下焊縫處的最大應力由156.7 MPa 變?yōu)?30.5 MPa，疲勞荷載下焊縫處的最大應力由174.2 MPa 變?yōu)?49.3 MPa，但應力幅卻增大，由17.5 MPa 變?yōu)?8.8 MPa。螺栓力損失了45%，應力幅增大了7.4%。

3 螺栓力松弛對焊接式索夾疲勞壽命的影響

對于疲勞分析典型的計算方法有以試驗為代表的S-N曲線［8-10］，以計算力學為代表的斷裂力學和最近幾年興起的近場動力學等［11-15］。利用計算力學的方法計算疲勞斷裂時，在裂紋尖端處會遇到應力奇異的現(xiàn)象，近場動力學利用積分運算代替微分運算可很好地解決這一現(xiàn)象，但計算量非常大不適合工程應用，本文利用適用于本模型情況以試驗為代表的S-N曲線評價螺栓力松弛對索夾焊縫疲勞壽命的影響。

依據(jù)國際焊接疲勞協(xié)會標準計算焊縫的疲勞［16-17］。國際焊接疲勞協(xié)會標準的S-N曲線數(shù)據(jù)也是基于名義應力法在試驗室獲得的。疲勞試驗數(shù)據(jù)考慮了局部應力集中、一定范圍內(nèi)的焊縫尺寸和形狀偏差、殘余應力、焊接過程和隨后的焊縫改善措施等。根據(jù)國際焊接學會標準，可以認為該接頭疲勞強度等級為100。對于每一等級接頭所施加應力變化范圍ΔS與達到疲勞的循環(huán)數(shù)N之間的關系為：

式中：C是與S-N曲線相關的常數(shù)。C=2×1016，m=5，為雙對數(shù)S-N曲線的反向斜率。

對表2 中的數(shù)據(jù)利用式（1）進行計算，得到相應的疲勞計算結果如圖6 所示。

表2 疲勞荷載下計算結果

圖6 焊接式索夾焊縫疲勞壽命與螺栓力損失關系

由圖6 可知：隨螺栓力損失率增大，疲勞壽命呈下降趨勢。當螺栓力損失很小時，即5% 以內(nèi)，螺栓力損失對疲勞壽命沒有影響；當螺栓力損失為10%～35%，螺栓力損失使疲勞壽命下降，且呈線性下降關系；當螺栓力損失超過35%后，螺栓力損失對疲勞壽命影響發(fā)生了突變，螺栓力損失使疲勞壽命迅速下降，但在設計使用年限之內(nèi)（200 萬次疲勞荷載作用下），焊接式索夾仍然不會發(fā)生疲勞破壞。

4 結論

本文研究了橋梁運營過程中焊接式索夾螺栓力損失與焊接式索夾焊縫疲勞問題。建立帶螺桿的索夾精細化有限元模型，研究螺栓力損失與焊接式索夾焊縫應力幅變化及疲勞壽命之間的關系。得到如下結論及不足之處：

（1）螺栓力損失使焊接式索夾應力變小，焊接式索夾焊縫應力幅增大。

（2）螺栓力損失導致了焊接式索夾焊縫疲勞壽命的降低，但影響不大，在設計使用年限之內(nèi)，焊接式索夾仍然不會發(fā)生疲勞破壞。

（3）建議在使用過程中應保持螺栓力的松弛控制在35%以下，在保證索夾抗滑能力的同時，延長索夾疲勞壽命。

（4）本文研究螺栓力的損失時并沒有考慮高強螺栓松弛的原因，只考慮了螺栓力松弛對疲勞的影響。本文研究也沒有考慮其他因素對焊接式索夾焊縫疲勞的影響。