夢海前灣河鋼箱梁橋整體穩(wěn)定性分析

摘要：為確保夢海前灣河大橋鋼箱梁橋體在疲勞荷載下的穩(wěn)定性和疲勞性能，參考橋體構(gòu)件尺寸和制作工藝，開展了U肋模型疲勞試驗。同時建立橋體數(shù)值模型，對兩個重要連接部位的疲勞壽命進(jìn)行了計算。研究結(jié)果表明：鋼橋面板疲勞破壞重點部位為U肋與頂板焊接部位、U肋與橫隔板圍焊部位，且兩部位在5×106次循環(huán)時，常幅疲勞極限的值分別為42.05MPa與60.33MPa；通過雨流計數(shù)法進(jìn)行分析和計算，得出橋面板關(guān)鍵部位2和部位1的應(yīng)力幅最大值分別為64.73MPa與14.02MPa；部位1的應(yīng)力幅最大值未超過常幅疲勞極限，壽命無限長；部位2應(yīng)力幅最大值超過常幅疲勞極限，且疲勞壽命限值為159年，超過夢海前灣大橋橋梁設(shè)計年限100年。由此表明在疲勞荷載作用下，大橋在設(shè)計有效期具有較好的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁橋體；疲勞荷載；數(shù)值模型；常幅疲勞極限；疲勞壽命

0" "引言

橋梁在服役過程中，不僅受到自然環(huán)境因素的影響，還要要承受運輸設(shè)備施加的載荷作用。近年來，運輸設(shè)備超載常導(dǎo)致一些橋梁在實際運營中面臨承載能力不足的問題[1-2]，并加劇結(jié)構(gòu)疲勞和損傷的風(fēng)險[5]。

同時自然環(huán)境的變化和氣候條件的惡化，可能對橋梁各構(gòu)件的材料造成不利影響。例如，長期暴露在酸雨、海洋鹽霧或惡劣氣候條件下的橋梁，可能發(fā)生腐蝕和劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降[3-4]。因異形鋼箱梁橋具有自重較輕、跨越能力較強(qiáng)、施工較為方便及能夠完美連接地面交通和橋面交通等優(yōu)勢，而被廣泛應(yīng)用在橋梁工程中。但鋼結(jié)構(gòu)橋梁在長期車輛荷載以及外部環(huán)境的影響下，也容易出現(xiàn)疲勞破壞而失穩(wěn)問題[6-7]。

基于此，本文以夢海前灣大橋為例，參考橋體構(gòu)件尺寸和制作工藝，開展了U肋模型疲勞試驗，同時建立橋體數(shù)值模型，對兩個重要連接部位的疲勞壽命進(jìn)行了計算，對大橋鋼箱梁橋體在疲勞荷載下的穩(wěn)定性和疲勞性能進(jìn)行了分析，相關(guān)成果可為類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1" 工程概況

夢海前灣河橋跨越前灣河水廊道，18m×3.5m為橋下通航凈空。橋梁全長和寬度分別為161.22和46.5m，主梁類型為封閉的正交異形板鋼箱梁，兩側(cè)懸臂和箱梁全寬分別為5.25m和46.4m，箱梁中心部位梁高2.3m。

正交異形板鋼箱梁由頂板、底板、橫隔板、縱隔板等組成，橫斷面共有8道腹板，中間和兩側(cè)各設(shè)置兩道。根據(jù)受力情況頂板需安裝板肋和U肋，U肋上、下口寬分別為300mm和184mm，高280mm，厚8mm。加勁肋和頂板材質(zhì)為Q345qC，U肋通過冷彎工藝制作而成。正交異形鋼梁主梁標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2" "鋼橋面板疲勞穩(wěn)定性試驗

2.1" "制作模型試樣

正交異性鋼橋面板容易產(chǎn)生受到疲勞破壞，影響橋體的安全性和穩(wěn)定性。針對這一問題，根據(jù)橋體的正交異性鋼橋面板的構(gòu)造、尺寸、焊接方式以及車輛荷載分布方式，設(shè)置3種加載方式，分別為U肋間加載、騎U肋加載以及U肋上加載。不同加載方式如圖2所示。

通過計算，得出加載方式為U肋上加載時的應(yīng)力值較大，屬于最不利工況，因此U肋上加載為此次研究所用加載方式。

為得出車輛荷載下橋面板的破壞部位和疲勞壽命，對U肋疲勞模型進(jìn)行加載，模型高576mm、橫隔板厚24mm、寬600mm、頂板厚16mm。

2.2" "試樣加載

選擇MTS-793型試驗機(jī)開展疲勞試驗加載，U肋上為加載部位，加載頻率為10Hz。參考不同應(yīng)力幅開展了8次疲勞試驗，并在破壞裂紋長度增長至30mm時停止試驗。U肋疲勞試驗結(jié)果如表1所示。

從表1中能夠看出，頂板和U肋相焊接部位在應(yīng)力幅小于109.9MPa時先產(chǎn)生破壞。繼續(xù)增大應(yīng)力幅時，橫隔板和U肋逐漸受力逐漸增大，在循環(huán)積累至一定次數(shù)之后橫隔板和U肋焊接部位產(chǎn)生破壞。

2.3" "分析疲勞試驗結(jié)果

參考U肋模型疲勞破壞部位和疲勞試驗結(jié)果，對不同易損構(gòu)造細(xì)節(jié)處（部位1，頂板和U肋焊接部位；部位2，橫隔板和U肋圍焊部位）的疲勞結(jié)果進(jìn)行分析。對循環(huán)次數(shù)N和應(yīng)力幅△σ間的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，得出相應(yīng)的擬合曲線。部位1和部位2疲勞數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)相關(guān)研究，荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到2×106次、5×106次以及1×108次時，將對應(yīng)的疲勞應(yīng)力幅分別作為鋼橋疲勞強(qiáng)度、常幅疲勞極限和疲勞截止極限[8]。當(dāng)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的全部應(yīng)力幅超過疲勞截止極限時，結(jié)構(gòu)會形成疲勞損傷，此時需對其疲勞壽命進(jìn)行評估。

根據(jù)圖3所得部位1和部位2的擬合式對應(yīng)力幅進(jìn)行計算，得到各循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力幅如表2所示。從表2中能夠得出，鋼橋面板部位2和部位1的常幅疲勞極限在5×106次循環(huán)時的值分別為60.33MPa和42.05MPa。

3" "評估橋面板疲勞壽命

3.1" "建立有限元模型

通過有限元軟件建立5U肋橋面板數(shù)值模型，分析疲勞荷載下橋面板的受力情況，模型寬和長分別為2.4m和9m。選擇C3D8實體單元對橋體構(gòu)件進(jìn)行模擬，設(shè)鋼板的彈性模量為201GPa，泊松比為0.3，同時設(shè)置橫隔板底部為固定端約束。橋面板數(shù)值模型如圖4所示。

按照車軸數(shù)量可將車輛分為7種類型，具體疲勞車輛編號為M1～M7，同時參考夢海前灣大橋交通量數(shù)據(jù)，每日單車道車流量平均值取3548輛。

參考相關(guān)規(guī)范和夢海前灣大橋橋體情況，設(shè)置3.1m×4.1m為車輛前軸輪壓面積，3.1m×7.1m為其他軸輪壓作用面積。有限元分析加載過程中，將橋面跨中設(shè)為橫向荷載的最不利部位。

3.2" "分析橋面板應(yīng)力

在有限元分析軟件中，參考車輛荷載譜對橋面車輛通行過程進(jìn)行模擬，具體為模型車前軸從橋的一端駛?cè)?。移動加載時設(shè)定每個荷載步長為1s，同時在1s內(nèi)模型車向前行駛500mm。通過計算能夠得出，模型車移動12s時橋面上僅有模型車的前軸移動。模型車移動24s時橋面上模型車的前后軸均在移動，模型車移動46.45s時后軸駛出橋面，停止加載。

在移動加載過程中，對部位1、2每個移動荷載步進(jìn)行一次應(yīng)力記錄，發(fā)現(xiàn)隨著模型車位置的改變，橋面板的應(yīng)力也會發(fā)生相應(yīng)的改變。詳細(xì)記錄部位1和觀點2在每次移動荷載步驟中的應(yīng)力變化，能夠發(fā)現(xiàn)部位1在10～15MPa的應(yīng)力范圍內(nèi)經(jīng)歷了2570次循環(huán)加載；部位2在應(yīng)力超過55MPa時循環(huán)了73次。

為了深入了解循環(huán)應(yīng)力作用下橋面板的性能退化程度，通過雨流計數(shù)法進(jìn)行詳細(xì)的分析和計算，精準(zhǔn)評估橋面板在循環(huán)應(yīng)力過程中的疲勞損傷，得出橋面板關(guān)鍵部位2和部位1的應(yīng)力幅最大值分別為64.73MPa與14.02MPa。這樣做得到目的是全面了解橋面板在不同位置的受力情況，以便采取相應(yīng)的措施來保障橋梁的安全運行。

3.3" 分析疲勞壽命

在眾多分析方法中，名義應(yīng)力法因其計算簡易性和有效性，而廣泛應(yīng)用于橋梁的疲勞評估中。應(yīng)用該理論，在已知結(jié)構(gòu)應(yīng)力△σ下循環(huán)次數(shù)ni時，可計算出該時間段內(nèi)結(jié)構(gòu)所積累的疲勞累積損傷D，具體表達(dá)式如下：

式中：DT表示累計疲勞損傷；Ni表示疲勞循環(huán)次

數(shù)；ni表示產(chǎn)生應(yīng)力的次數(shù)。

可根據(jù)式（2）對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行計算，具體表達(dá)式如下：

式中：Y表示結(jié)構(gòu)疲勞壽命；Dcr表示應(yīng)力幅導(dǎo)致的疲勞損傷。

結(jié)合數(shù)值計算得出的應(yīng)力幅最大值、圖4中所得擬合方程，能夠得出橋體具體位置的疲勞壽命，部位1和部位2疲勞壽命計算結(jié)果如表3所示。

從表3中能夠看出，部位1的應(yīng)力幅最大值未超過常幅疲勞極限，壽命無限長；部位2應(yīng)力幅最大值超過常幅疲勞極限，疲勞壽命有一定限值。經(jīng)過有限元疲勞計算，得出該部位疲勞壽命限值為159年，超過了夢海前灣大橋橋梁設(shè)計年限100年，由此表明，在疲勞荷載作用下，大橋在設(shè)計有效期具有較好的安全性和穩(wěn)定性。

4" "結(jié)束語

為了進(jìn)一步掌握夢海前灣大橋在運行過程中的穩(wěn)定性，對其主橋剛面板開展了U肋疲勞試驗，同時建立橋體數(shù)值模型，對兩個重要連接部位的疲勞壽命進(jìn)行了計算，主要得出以下結(jié)論：

根據(jù)U肋模型疲勞破壞部位和疲勞試驗結(jié)果，得出鋼橋面板疲勞破壞重點部位為頂板和U肋焊接部位、橫隔板和U肋圍焊部位，且兩部位常幅疲勞極限在5×106次循環(huán)時的值分別為42.05MPa與60.33MPa。

通過雨流計數(shù)法進(jìn)行分析和計算，精準(zhǔn)得出鋼橋橋面板在循環(huán)應(yīng)力過程中的疲勞損傷，其中橋面板關(guān)鍵部位2和部位1的應(yīng)力幅最大值分別為64.73MPa與14.02MPa。部位1的應(yīng)力幅最大值未超過常幅疲勞極限，壽命無限長；部位2應(yīng)力幅最大值超過了常幅疲勞極限，疲勞壽命有一定限值。經(jīng)過有限元疲勞計算后得出該部位疲勞壽命限值為159年，超過了夢海前灣大橋橋梁設(shè)計年限100年。由此表明，在疲勞荷載作用下，大橋在設(shè)計有效期具有較好的安全性和穩(wěn)定性。

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