不同初始裂紋角度對鋼橋橫隔板圍焊細(xì)節(jié)疲勞性能的影響研究

中圖分類號：U445.58*3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.053

文章編號：1673-4874（2025）01-0180-03

0 引言

焊接仍是目前鋼結(jié)構(gòu)板件之間連接的基本方式之一。21世紀(jì)以來，鋼結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中得到了極大的應(yīng)用，鋼橋具有強(qiáng)度高、施工快等顯著優(yōu)勢，在砂石料資源日益短缺的年代，鋼橋是低碳環(huán)保、節(jié)能高效的重要橋型結(jié)構(gòu)。由于鋼橋板件眾多，為打造智能化、流水線生產(chǎn)，基本采用全焊形式，焊縫質(zhì)量及其檢測技術(shù)是影響鋼橋耐久性的重要因素。

自從英國賽文橋鋼箱梁發(fā)生疲勞開裂以來，橋梁設(shè)計(jì)人員與管養(yǎng)人員開始重視鋼橋疲勞裂紋問題。在國內(nèi)，近幾十年來，虎門大橋、江陰大橋和軍山大橋等均發(fā)現(xiàn)了一系列疲勞開裂現(xiàn)象，并在這些橋梁的服役期內(nèi)，疲勞劣化效應(yīng)較為顯著，因此不得不采取有效的加固措施對其進(jìn)行止裂加固。鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)，其自重輕的同時本身的活載效應(yīng)占比提高，加之焊縫細(xì)節(jié)應(yīng)力集中，因此多個疲勞細(xì)節(jié)易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。根據(jù)日本高速公路鋼橋疲勞裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果，橫隔板交叉細(xì)節(jié)損傷最為嚴(yán)重，裂紋占比高達(dá)38. ，國內(nèi)鋼橋疲勞開裂也存在類似情況。周維等3采用ANSYS軟件分析了橫隔板交叉細(xì)節(jié)多個疲勞開裂點(diǎn)位處的疲勞應(yīng)力幅；王曉等4對比了國內(nèi)規(guī)范和歐洲規(guī)范荷載模式對橫隔板圍焊細(xì)節(jié)應(yīng)力的影響；王喆5探討了CFRP板對橫隔板交叉細(xì)節(jié)加固后的開裂抑制情況并進(jìn)一步分析了加固件參數(shù)的影響；下一之等基于模型試驗(yàn)和有限元方法，研究了栓接角鋼加固件對圍焊細(xì)節(jié)穿透型裂紋加固效果與加固時間；劉益銘等基于斷裂力學(xué)理論，計(jì)算了鋼橋圍焊細(xì)節(jié)疲勞壽命。目前鋼橋疲勞研究資料較為全面和系統(tǒng)，兼顧疲勞細(xì)節(jié)開裂前后的分析，尤其是隨著斷裂力學(xué)方法的不斷完善，開裂后的分析逐漸占據(jù)重要地位。但是，開裂后分析的研究文獻(xiàn)中主要聚焦于裂紋擴(kuò)展過程及其加固分析，缺少對于初始裂紋自身因素的分析。基于此，考慮到初始裂紋的隨機(jī)性，本文選取不同角度的初始裂紋，對其應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行對比研究，以提高鋼結(jié)構(gòu)加工制造人員及其相關(guān)研究人員對于疲勞性能的認(rèn)識。

1正交異性鋼橋面板

正交異性鋼橋面板（簡稱鋼橋面板）一般作為鋼箱梁橋面板使用，力學(xué)性能突出，尤其在大跨度斜拉橋、懸索橋中應(yīng)用廣泛。鋼橋面板縱向板件主要由頂板、縱肋組成，橫向板件主要由橫隔板組成，各板件焊接連接形成節(jié)段橋面板，焊縫分布多，多個焊縫存在交叉，疲勞細(xì)節(jié)多樣，如圖1所示。

鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)是易發(fā)生疲勞開裂的局部部位。目前主要對兩類細(xì)節(jié)進(jìn)行研究：縱肋頂板焊接細(xì)節(jié)和橫隔板交叉細(xì)節(jié)，兩類疲勞細(xì)節(jié)主要開裂路徑如圖2所示?？v肋頂板焊接細(xì)節(jié)受力明確，裂紋通常沿頂板深度方向開裂，橫隔板交叉細(xì)節(jié)受力復(fù)雜，圍焊處焊縫成型不易，通常采用手工焊形式，焊接質(zhì)量難以控制，加之疲勞應(yīng)力高，因此疲勞壽命低于縱肋頂板焊接細(xì)節(jié)。橫隔板交叉細(xì)節(jié)主要開裂路徑為圍焊焊趾處起裂并沿縱肋縱向斜向上擴(kuò)展的疲勞裂紋，本文也是基于此開裂位置進(jìn)行研究。

2 節(jié)段橋面板

本文以某長江大橋鋼橋面板為依托工程，整幅為雙向八車道，主梁采用鋼橋面板形式。疲勞模型的選取與實(shí)際疲勞效應(yīng)影響范圍密切相關(guān)，相關(guān)文獻(xiàn)表明疲勞效應(yīng)存在明顯的局部性、節(jié)段性。為統(tǒng)籌考慮疲勞車橫向車輪影響，節(jié)段橋面板橫向取3 ，縱向取2個橫隔板節(jié)間，橫隔板節(jié)間長度為 。當(dāng)疲勞車輪載作用于圍焊細(xì)節(jié)正上方時，疲勞效應(yīng)最為顯著，因此將一側(cè)輪載布置于縱肋腹板中心處，關(guān)注位置為 縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)圍焊位置。節(jié)段橋面板幾何尺寸與加載位置如圖3所示，其中輪載尺寸參考?xì)W規(guī)鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行選取8，并考慮4倍的超載效應(yīng)，圍焊采用角焊縫形式，焊腳尺寸為7mm。

4有限元模型

基于實(shí)體有限元分析軟件，對 縱肋與橫隔板交叉位置建立子模型。子模型采用Solid95二階單元，其余區(qū)域采用Solid45一階單元，子模型邊界與整體模型進(jìn)行位移耦合約束，初始裂紋前緣采用楔形體單元以獲得奇異場應(yīng)力情況。有限元模型中對焊縫網(wǎng)格進(jìn)行加密，單元尺寸≤2mm，非關(guān)注區(qū)域網(wǎng)格尺寸放寬處理，以節(jié)約計(jì)算時間。由于橫隔板交叉細(xì)節(jié)主要受橫隔板正上方輪載作用，即面內(nèi)效應(yīng)較為突出，因此加載時將橫向兩個輪載放置于橫隔板正上方。按照節(jié)段橋面板在主梁主車道所處位置，分別對頂板、縱肋和橫隔板進(jìn)行位移約束。所建立的有限元模型如圖5所示。

3 初始裂紋形式

斷裂力學(xué)研究中將焊接初始缺陷（即初始裂紋）簡化為面狀形式，一般為半橢圓形。此處取半橢圓半短軸 和半長軸 分別為0.4mm和 1mm ，初始裂紋共選取7種工況，分別為非圍焊側(cè)45裂紋、非圍焊側(cè) 裂紋、非圍焊側(cè)15°裂紋、垂直裂紋、圍焊側(cè)15°裂紋、圍焊側(cè) 裂紋、圍焊側(cè)45裂紋。初始裂紋如圖4所示。

疲勞開裂三種基本應(yīng)力強(qiáng)度因子 （張開型）K_Ⅱ（滑開型）和K_Ⅲ（撕開型）通過相互作用積分求解，決定初始裂紋綜合擴(kuò)展能力的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子參考BS7608規(guī)范進(jìn)行計(jì)算9，見式（1）。其中， 為材料泊松比，本橋橋面板材料為 。

5數(shù)值模擬結(jié)果分析

為系統(tǒng)研究不同初始裂紋角度下橫隔板圍焊細(xì)節(jié)疲勞開裂中三種基本開裂模式占比情況，分別提取得到應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律如圖6所示，其中橫坐標(biāo)為裂紋前緣至裂紋一端長度與裂紋前緣總長度之比。

計(jì)算結(jié)果表明：（1）裂紋前緣中間區(qū)域撕開型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子占比較小，裂紋兩端附近區(qū)域占比大，整體而言，張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子水平最高，在基本開裂模式中占主導(dǎo)地位，其他兩種基本開裂模式應(yīng)力強(qiáng)度因子不能忽略，橫隔板圍焊細(xì)節(jié)疲勞開裂具有明顯的三維特征；（2）就張開型基本開裂模式而言，初始裂紋從非圍焊側(cè)逐漸偏轉(zhuǎn)至圍焊側(cè)的過程中，應(yīng)力強(qiáng)度因子先快速增加，然后逐漸降低，在圍焊側(cè)15°裂紋工況下應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到最大；（3）初始裂紋從非圍焊側(cè)逐漸偏轉(zhuǎn)至圍焊側(cè)的過程中，滑開型應(yīng)力強(qiáng)度因子從負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，裂紋在垂直方向和圍焊側(cè)15方向之間時，滑開型應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值處于較低水平。相同偏轉(zhuǎn)角下，偏向于非圍焊側(cè)的裂紋面所受沿縱肋厚度方向的剪切應(yīng)力越大，進(jìn)一步表明圍焊處應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，同時受彎扭和剪切作用。

為進(jìn)一步探究橫隔板圍焊細(xì)節(jié)初始裂紋的綜合擴(kuò)展能力，根據(jù)式（1）計(jì)算得到了7種工況下裂紋前緣等效應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律，如圖7所示。

計(jì)算結(jié)果表明：7種工況下裂紋前緣等效應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律與張開型基本開裂模式較為相似。垂直裂紋、圍焊側(cè)15°裂紋、圍焊側(cè) 裂紋和圍焊側(cè)45°裂紋等效應(yīng)力強(qiáng)度因子水平均較高，相比較而言，圍焊側(cè)15°裂紋擴(kuò)展能力最強(qiáng)。

6結(jié)語

本文以某長江大橋節(jié)段橋面板橫隔板圍焊細(xì)節(jié)為研究對象，基于實(shí)體有限元軟件，對不同偏轉(zhuǎn)角度的初始裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）不同初始裂紋角度下，圍焊細(xì)節(jié)開裂特征均為復(fù)合型開裂模式，其中張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子占比大，裂紋擴(kuò)展具有三維特征。

（2）偏向于圍焊方向15的初始裂紋等效應(yīng)力強(qiáng)度因子水平最高，裂紋擴(kuò)展能力最強(qiáng)。因此，考慮缺陷分布的隨機(jī)性，基于斷裂力學(xué)方法評估圍焊細(xì)節(jié)疲勞壽命時，采用垂直裂紋并不是最不利裂紋工況，應(yīng)重點(diǎn)分析偏向于圍焊方向的初始裂紋。

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