某在役鉚接鋼桁梁橋關(guān)鍵構(gòu)件疲勞性能研究

摘 要：精準(zhǔn)評估現(xiàn)役鋼橋的疲勞壽命對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營至關(guān)重要。該文以某在役鉚接鋼桁梁橋為研究對象，在對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析明確各構(gòu)件的受力特點的基礎(chǔ)上，針對原橋典型構(gòu)件以及關(guān)鍵節(jié)點開展系列疲勞性能研究。數(shù)值計算結(jié)果表明，城B荷載作用下原橋典型構(gòu)件以及關(guān)鍵節(jié)點均具有良好抗疲勞性能，疲勞壽命循環(huán)次數(shù)均大于200萬次。

關(guān)鍵詞：鋼桁梁橋；在役鋼橋；疲勞性能；壽命評估；應(yīng)力修正

中圖分類號：U4466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0058-04

Abstract： Accurate evaluation of the fatigue life of steel bridges in service is very important for the safe operation of bridge structures. In this paper， a riveted steel truss bridge in service is taken as the research object. Based on the calculation and analysis of the bridge structure and the mechanical characteristics of each member， a series of fatigue performance studies are carried out for the typical members and key joints of the original bridge. The numerical results show that the typical members and key joints of the original bridge under city B load have good anti-fatigue performance， and the number of fatigue life cycles is more than 2 million.

Keywords： steel truss bridge; in-service steel bridge; fatigue performance; life assessment; stress correction

隨著我國科技的發(fā)展以及技術(shù)水平的不斷提高，國內(nèi)服役年限超過50年鉚接鋼橋已超過1萬多座，日益繁重的交通流對橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營帶來了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，眾多橋梁均表現(xiàn)出不同程度的疲勞損傷。由于我國早期技術(shù)水平不足，作為控制橋梁壽命的主要因素，疲勞問題在早期建設(shè)的橋梁中多數(shù)未充分考慮，現(xiàn)行交通荷載對老舊橋梁安全運(yùn)營帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。橋梁作為國家交通的命脈，對于國民經(jīng)濟(jì)具有重要地位，如何高效維護(hù)老舊鋼橋、準(zhǔn)確評估既有橋梁剩余疲勞壽命正逐漸成為研究熱點。

目前多數(shù)研究是根據(jù)現(xiàn)場實測應(yīng)力譜，并結(jié)合S-N曲線以及Miner 線性累積損傷準(zhǔn)則進(jìn)而對鋼橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能評價[1-5]。王亞偉等[6]利用雨滴計數(shù)法統(tǒng)計得到某鋼橋不同桿件的應(yīng)力頻譜，然后結(jié)合Miner線性累積損傷原理，開展了疲勞壽命評估研究。郭文華等[7]通過建立全橋精細(xì)化分析模型，基于雨流計數(shù)法以及Miner線性疲勞累積準(zhǔn)則，系統(tǒng)研究了列車類型、行車速度、車輛載重和編組車輛節(jié)數(shù)等對鋼桁梁橋疲勞損傷的影響。肖鑫等[8]以實測荷載為基礎(chǔ)，論述了關(guān)鍵部件疲勞性能的影響和荷載效應(yīng)的可變性。李紹華[9]通過模擬隨機(jī)車流作用下橋梁關(guān)鍵構(gòu)件疲勞特性進(jìn)而針對疲勞車輛荷載模型進(jìn)行了系列研究。李寧等[10]詳細(xì)分析了某大型跨徑雙層鋼桁梁懸索橋主桁桿構(gòu)件的疲勞壽命。

不難發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確評估現(xiàn)役鋼橋的疲勞壽命對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營至關(guān)重要，相關(guān)結(jié)論對于橋梁管養(yǎng)從業(yè)人員具有重要參考價值?；诖?，本文以某一在役鋼桁橋為例，針對某一在役橋梁的疲勞壽命狀況，通過對全橋有限元模型的建立，分別進(jìn)行了2種不同尺度的疲勞性能數(shù)值模擬，即構(gòu)件全截面和典型節(jié)點。

1 工程概況

1958年開工建設(shè)的牛角沱嘉陵江大橋，1966年1月20日通車，至今已服役近60年。牛角沱嘉陵江大橋是一座鉚接鋼桁橋，主橋為鋼桁架雙懸臂橋，引橋為T型梁橋。橋梁全橋600 m，主跨長度88 m。

主橋采用錨梁長120 m、兩端懸臂長20 m的吊孔鋼桁梁和雙懸臂簡支鋼桁梁相結(jié)合的型式。吊梁采用平行弦三角體系設(shè)計，錨梁與吊梁之間采用鉸軸相連。另有錨桿設(shè)于橋墩支座位置，支座至下弦距離為9 m。鋼桁梁主桁架，橫距4.3 m。主梁上、下弦平面均設(shè)置水平聯(lián)結(jié)系統(tǒng)，鉚接鋼桁梁各桿件節(jié)點。車行道是由縱梁和上面的鋼筋混凝土槽型板一起組成的，放置在與橫梁聯(lián)結(jié)的部分。人行道由3個部分組成：鋼筋水泥縱梁、懸挑鋼架、預(yù)制道板。

2 結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 有限元模型建立

利用有限元分析軟件Midas Civil建立的牛角沱嘉陵江大橋有限元模型，全橋節(jié)點共3 234個，單元9 235個。全橋有限元模型如圖1所示。

2.2 桿件應(yīng)力幅計算

全橋共四片桁架，為便于對比分析，選用最不利的外桁架進(jìn)行計算。為了更直觀地探究拉桿的受力狀態(tài)，在荷載組合作用下，上弦桿的活載應(yīng)力幅和的恒載應(yīng)力如圖2所示，腹桿的活載應(yīng)力幅和恒載應(yīng)力如圖3所示，下弦桿的活載應(yīng)力幅和恒載應(yīng)力如圖4所示。

計算結(jié)果表明，外桁腹桿具有較大應(yīng)力幅。外桁下弦桿最大應(yīng)力幅值為23 MPa，外桁上弦桿最大應(yīng)力幅值為29 MPa，外桁腹桿最大應(yīng)力幅值為52.7 MPa。

3 典型桿件全截面疲勞數(shù)值模擬

3.1 模型建立

典型構(gòu)件采用有限元分析軟件 Midas FEA建立空間有限元模型，模型采用板單元，共有節(jié)點5 734個，單元5 465個。

在數(shù)值模擬計算時，按試驗荷載加荷載。典型桿件材料特性彈性模量按材料性能試驗結(jié)果取 201.56 GPa，抗拉強(qiáng)度取445.07 MPa。進(jìn)一步，由于現(xiàn)階段對于鉚接鋼橋的疲勞性能研究數(shù)據(jù)較少，且原橋桿件存在銹蝕情況。因此，本文采用AASHTO規(guī)范提供的S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命分析，斜率m取3，疲勞分級為71 MPa，極限疲勞強(qiáng)度為17.9 MPa，如圖5所示。

3.2 計算結(jié)果

實際分析過程中通過對典型構(gòu)件進(jìn)行疲勞分析數(shù)值模擬，分別計算得到研究構(gòu)件的損傷度以及疲勞壽命。桿件的疲勞損傷度計算結(jié)果如圖6所示，桿件的疲勞壽命計算結(jié)果如圖7所示。計算結(jié)果表明選取的典型桿件疲勞循環(huán)次數(shù)為1.845×107次。

桿件根據(jù)Goodman公式考慮平均應(yīng)力影響時即根據(jù)Goodman公式修正后的疲勞損傷度如圖8所示，為典型桿件根據(jù)Goodman公式修正后的疲勞壽命如圖9所示。計算結(jié)果表明，經(jīng)過Goodman公式修正后典型桿件疲勞循環(huán)次數(shù)為1.386×107次。

綜上：選用的典型桿件，在應(yīng)力未修正的情況下，疲勞壽命為循環(huán)1.835×107次；根據(jù)Goodman公式修正后，疲勞壽命為循環(huán)1.386×107次，均大于200萬次，數(shù)值模擬結(jié)果表明選取桿件的抗疲勞性能良好。

4 關(guān)鍵節(jié)點疲勞數(shù)值模擬

牛角沱嘉陵江大橋主橋為鋼桁架雙懸臂橋，一般而言除典型桿件疲勞分析以外，關(guān)鍵節(jié)點的疲勞性能分析也同等重要。為此，本文根據(jù)整體模型的計算結(jié)果，選取應(yīng)力幅較大的節(jié)點作為關(guān)鍵節(jié)點，然后利用有限元軟件Midas FEA建立節(jié)點精細(xì)化有限元模型，最終在精細(xì)化節(jié)點模型上施加整體模型計算得出的桿件內(nèi)力進(jìn)而計算出目標(biāo)節(jié)點的疲勞循環(huán)次數(shù)以對關(guān)鍵節(jié)點疲勞性能進(jìn)行研究。

4.1 有限元模型建立

關(guān)鍵節(jié)點有限元模型采用Midas FEA建立，模型共有節(jié)點18 170個，單元17 629個。

在有限元模型建立過程中，為便于施加荷載和邊界條件。各桿件端部建立剛臂，剛臂與各桿件端部的自由度相互耦合，并在剛臂上直接施加邊界條件和荷載。此外，節(jié)點的S-N曲線也采用AASHTO規(guī)范提供的S-N曲線進(jìn)行疲勞分析，斜率m取3，疲勞極限強(qiáng)度為17.9 MPa，疲勞細(xì)節(jié)分級為71 MPa。

4.2 疲勞壽命計算結(jié)果

由圖10—圖13可知，在應(yīng)力未修正的情況下，關(guān)鍵節(jié)點的疲勞壽命為循環(huán)1.723×107次；由Goodman公式修正之后，關(guān)鍵節(jié)點的疲勞壽命為循環(huán)1.235×107次，原橋關(guān)鍵節(jié)點抗疲勞性能良好。

5 結(jié)論

本文在總結(jié)現(xiàn)有鋼桁梁橋研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對某在役鉚接鋼桁梁橋關(guān)鍵構(gòu)件開展了疲勞壽命研究，在對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析明確各構(gòu)件的受力特點進(jìn)而篩選出典型疲勞構(gòu)件的基礎(chǔ)上，通過建立典型構(gòu)件以及關(guān)鍵節(jié)點有限元模型開展了系列疲勞性能研究，主要結(jié)論如下：

1）原橋典型桿件在應(yīng)力幅值為城B荷載作用下，在應(yīng)力未修正情況下疲勞壽命為循環(huán)1.835×107次，根據(jù)Goodman公式修正后的疲勞壽命為循環(huán)1.386×107次，均大于試驗室的循環(huán)加載次數(shù)200萬次，原鋼桁梁橋關(guān)鍵構(gòu)件的抗疲勞性能良好。

2）原橋關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力幅值為城B荷載作用下，在應(yīng)力未修正情況下的疲勞壽命為循環(huán)1.723×107次，根據(jù)Goodman公式修正后的疲勞壽命為循環(huán)1.235×107次，節(jié)點的循環(huán)次數(shù)大于200萬次，原鋼桁梁橋關(guān)鍵節(jié)點的抗疲勞性能良好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高立強(qiáng)，余麗輝，王康寧，等.鋼-UHPC組合橋面疲勞評估方法中外規(guī)范對比[J].橋梁建設(shè)，2023，53（5）：74-82.

[2] 王春生，陳艾榮，陳惟珍.鉚接鋼橋剩余壽命與使用安全評估[J].中國鐵道科學(xué)，2004（3）：139-141.

[3] 董盛.既有鉚接鋼桁梁橋疲勞抗力的腐蝕劣化效應(yīng)與剩余壽命評估研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2020.

[4] 賈宏宇.基于應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的鋼桁梁橋整體節(jié)點疲勞性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2021.

[5] 張清華，魏川，徐召，等.鋼桁梁整體焊接節(jié)點疲勞性能模型試驗[J].中國公路學(xué)報，2022，35（12）：77-90.

[6] 王亞偉，王麗.重載鐵路鋼桁梁橋疲勞壽命預(yù)測方法及應(yīng)用研究[J].鐵道建筑，2022，62（8）：117-121.

[7] 郭文華，蔣晨奕.基于聯(lián)合概率法的重載鐵路大跨鋼桁梁橋剩余疲勞壽命評估[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2023，20（8）：3162-3171.

[8] 肖鑫，趙欣欣.基于實測荷載的鐵路鋼桁梁橋疲勞可靠性評估[J].計算力學(xué)學(xué)報，2020，37（2）：254-260.

[9] 李紹華.基于隨機(jī)車流的橋梁構(gòu)件疲勞分析及其疲勞荷載模型研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（27）：49-50，53.

[10] 李寧，王盼.大跨徑雙層鋼桁梁懸索橋主桁桿件疲勞壽命評估[J].公路工程，2017，42（4）：69-75.

基金項目：重慶市建設(shè)科技計劃項目（城科字2022第1-14號）；重慶市自然科學(xué)基金（CSTB2022NSCQ-MSX1658）

第一作者簡介：袁佩（1985-），男，碩士，正高級工程師。研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)韌性提升。