鋼橋面板與縱肋焊接細(xì)節(jié)內(nèi)焊加固探討

利用有限元模型建模方式進(jìn)行分析，在驗(yàn)證通過(guò)栓接加固切口（放入仰焊機(jī)器人）滿足安全性要求的基礎(chǔ)上，研究了該焊接細(xì)節(jié)從焊根處起裂向頂板厚度方向擴(kuò)展的最不利開(kāi)裂模式進(jìn)行內(nèi)焊加固的效果，選取熔透率為70%、80%、90%、100%的熔透率進(jìn)行討論分析。研究表明，加固后疲勞裂紋前緣關(guān)注點(diǎn)的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值均下降70%以上，并隨著熔透率的增加降幅增大，內(nèi)焊加固效果變好。

正交異性鋼橋面板； 疲勞裂紋擴(kuò)展； 內(nèi)焊加固

U445.7+2A

［定稿日期］2023-04-04

［作者簡(jiǎn)介］安朗（1997—），女，碩士，研究方向?yàn)殇摌蚱诩庸獭?/p>

0 引言

正交異性鋼橋面板以其輕、高、易裝配化施工等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)中［1］。其結(jié)構(gòu)形式主要是通過(guò)焊接連接將面板、縱向加勁肋和橫隔板連接成在縱向和橫向滿足不同受力需求的正交異性板結(jié)構(gòu)，但不可避免會(huì)引入板件間的立體交叉、焊接殘余應(yīng)力、焊接缺陷和制造誤差等問(wèn)題，在大量交通荷載反復(fù)作用下，疲勞裂紋在應(yīng)力集中突出的疲勞易損部位萌生并擴(kuò)展［2］。根據(jù)對(duì)于現(xiàn)代正交異性橋面板疲勞病害案例的統(tǒng)計(jì)研究，由于早期焊接技術(shù)水平限制，頂板與縱肋焊接細(xì)節(jié)在疲勞開(kāi)裂案例中占比較高［3］，在提高焊接質(zhì)量和熔透率后，從焊根起裂往頂板厚度方向擴(kuò)展的開(kāi)裂模式又往往是占比最高的，且該種開(kāi)裂模式在裂紋貫穿頂板后，才能被檢測(cè)到。為避免由于該疲勞細(xì)節(jié)開(kāi)裂引發(fā)安全問(wèn)題，考慮到減輕對(duì)于交通的影響等因素，引入縱肋內(nèi)焊技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的單面焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行加固，形成雙面焊接對(duì)該細(xì)節(jié)處疲勞性能進(jìn)行加固提高。

1 內(nèi)焊加固可實(shí)施性研究

在實(shí)橋進(jìn)行內(nèi)焊加固時(shí)，需要在縱肋對(duì)接焊縫附近區(qū)域進(jìn)行開(kāi)孔，放入仰焊機(jī)器人完成內(nèi)焊步驟，為了評(píng)估開(kāi)孔對(duì)原橋局部受力的影響，建立節(jié)段有限元模型進(jìn)行分析，整個(gè)模型采用殼單元建立以提高計(jì)算效率，對(duì)于切口缺陷采用外層栓接同尺寸縱肋方式進(jìn)行加固，根據(jù)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行螺栓布置，如圖1所示。根據(jù)前期加載位置的試算，當(dāng)荷載縱向位于切口正上方時(shí)切口、橫向以縱肋與頂板焊接處為中心布置偏載的方式，切口受力最不利，加載方式選取單輪軸重60 kN。對(duì)于切口的構(gòu)造如圖2所示，通過(guò)試算，R=20 mm與R=30 mm情況下，豎向主應(yīng)力分別為85.99 MPa與89.54 MPa，說(shuō)明切口圓弧半徑對(duì)應(yīng)力影響不大，下文取R=20 mm工況進(jìn)行建模分析。

加固后的切口處應(yīng)力如圖3所示，由云圖結(jié)果可知最不利位置出現(xiàn)在切口處，大小為122.1 MPa，采用鋼材為Q345q，驗(yàn)算結(jié)果表明在加固后原結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2 內(nèi)焊加固有限元模型

在已有研究驗(yàn)證局部節(jié)段模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上［4］，本文使用ANSYS有限元計(jì)算軟件建立橫向7個(gè)U肋，縱向4個(gè)橫隔板的局部節(jié)段模型，單元類型選擇實(shí)體單元SOLID45，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3。約束條件為：節(jié)段模型頂板橫向兩側(cè)約束橫向自由度；頂板及縱肋腹板縱向兩端約束縱向自由度；在橫隔板底部約束三個(gè)方向的自由度。橫隔板間距取2 500 mm，橫隔板高度取700 mm，U肋之間中心距取600 mm，頂板厚度取16 mm，橫隔板厚度取14 mm，橫隔板按照某橋開(kāi)孔形式，有限元模型見(jiàn)圖4。

1.1 最不利加載位置

疲勞荷載參考JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》選取。規(guī)范規(guī)定橋面系構(gòu)件應(yīng)采用疲勞荷載計(jì)算模型III，所以選擇疲勞荷載計(jì)算模型III。其中計(jì)算模型III中單輪軸重大小為60 kN，加載面積為200 mm×600 mm。為了找到最不利加載位置，采用荷載歷遍方式進(jìn)行計(jì)算。橫橋向加載位置按照三種典型工況進(jìn)行計(jì)算，如圖5所示。

綜合考慮實(shí)橋統(tǒng)計(jì)情況與如圖6、圖7所示4種典型疲勞開(kāi)裂模式的應(yīng)力歷程。橫向工況一，縱肋焊趾部位的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅最小為26.46 MPa，焊根部位的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅最大為72.86 MPa；橫向工況二，焊喉部位的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅最小為68.17 MPa，焊根部位的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅最大為93.35 MPa；橫向工況三，焊喉部位的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅最小為50.14 MPa，焊根部位的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅最大為72.83 MPa。綜合分析可知最不利加載位置為工況二，縱向加載位置在跨中與距跨中400 mm時(shí)，焊根位置等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅最大，同時(shí)焊喉與頂板焊趾部位的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅也較大。

1.2 疲勞裂紋擴(kuò)展模型

基于上節(jié)的節(jié)段模型，建立網(wǎng)格精細(xì)化的焊根開(kāi)裂子模型，根據(jù)前期試算，選取此細(xì)節(jié)處主導(dǎo)的萌生于焊根向頂板厚度方向擴(kuò)展的失效模式進(jìn)行討論。根據(jù)此處初始微裂紋的長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)［5］給出的建議初始裂紋尺寸，選擇裂紋的初始尺寸a0為0.1 mm、c0為0.1 mm的裂紋，最終臨界尺寸選為擴(kuò)展至板厚的2/3作為失效判據(jù)［6］，并根據(jù)實(shí)際裂紋擴(kuò)展的情況，第1～4擴(kuò)展步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 mm，第5～8擴(kuò)展步長(zhǎng)設(shè)置為0.2 mm，第9～12擴(kuò)展步長(zhǎng)設(shè)置為0.3 mm，第13～16擴(kuò)展步長(zhǎng)設(shè)置為0.4 mm，之后各擴(kuò)展步均設(shè)為0.5 mm直到破壞（圖8）。

1.3 內(nèi)焊加固熔透率討論

頂板與縱肋焊接細(xì)節(jié)從焊根起裂往頂板厚度方向擴(kuò)展模式處于閉口肋內(nèi)部隱蔽部位，缺乏有效的檢測(cè)技術(shù)，在裂穿頂板后會(huì)成為縱向長(zhǎng)大疲勞裂紋，加固極為困難?，F(xiàn)有方法采用新型構(gòu)造對(duì)其疲勞性能有一定改善，但是不能處理掉該處的類裂紋的構(gòu)造。通過(guò)內(nèi)焊加固改變縱肋與頂板的焊接細(xì)節(jié)的熔透率，可以有效降低縱肋與頂板構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅，抑制裂紋擴(kuò)展。

焊腳基本尺寸選擇為8 mm，采用內(nèi)焊加固時(shí)機(jī)選擇當(dāng)裂紋擴(kuò)展至頂板一半厚度時(shí)進(jìn)行加固。熔透率分別選擇70%、80%、90%、100%進(jìn)行分析。內(nèi)焊加固模型前緣關(guān)注點(diǎn)選擇如圖9所示的A、B兩點(diǎn)，內(nèi)焊加固前后關(guān)注點(diǎn)的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的具體變化變化如表1所示。

2 結(jié)論

（1）利用有限元建模的方式對(duì)于實(shí)橋切口放入仰焊機(jī)器人進(jìn)行內(nèi)焊加固的安全性進(jìn)行了分析，采用高強(qiáng)螺栓栓接U型鋼板的方式加固后，切口的最大應(yīng)力降為122.1MPa，安全性符合要求。

（2）本文通過(guò)在不利荷載狀態(tài)下對(duì)頂板與縱肋焊接細(xì)節(jié)從焊根起裂向頂板厚度方向擴(kuò)展的模式進(jìn)行裂紋擴(kuò)展及內(nèi)焊加固分析，研究表明疲勞裂紋前緣關(guān)注點(diǎn)的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值在熔透率為70%、80%、90%、100%的熔透率下，疲勞裂紋前緣關(guān)注點(diǎn)的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值均下降70%以上，并隨著熔透率的增加等效應(yīng)力強(qiáng)度因子降幅增大，內(nèi)焊加固效果變好。

參考文獻(xiàn)

［1］ Zhang Q H ， Cui C ， Bu Y Z ， et al. Fatigue tests and fatigue assessment approaches for rib-to-diaphragm in steel orthotropic decks［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2015， 114：110-118.

［2］ 劉益銘， 張清華， 張鵬，等. 港珠澳大橋正交異性鋼橋面板U肋對(duì)接焊縫疲勞壽命研究［J］. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2016， 29（12）：9.

［3］ 張清華， 卜一之， 李喬. 正交異性鋼橋面板疲勞問(wèn)題的研究進(jìn)展［J］. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2017， 30（3）：18.

［4］ 王春生， 付炳寧， 張芹，等. 正交異性鋼橋面板足尺疲勞試驗(yàn)［J］. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2013， 26（2）.

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［6］ Radaj D . Fatigue Assessment of Welded Joints by Local Approaches［M］. ELSEVIER， 2006.