輪載形式對鋼橋面板疲勞應力的影響分析

關鍵詞：鋼橋面板；橫隔板與縱肋交叉細節(jié)；典型疲勞車；有限元；疲勞應力幅中圖分類號：U443.31 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.043文章編號：1673-4874（2025）03-0150-03

0 引言

鋼橋面板承載能力高，便于工廠化加工制造，被廣泛應用于橋梁建設中。隨著橋梁跨徑的增加，由于混凝土結構受材料強度限制，傳統(tǒng)簡支梁橋結構體系中混凝土橋跨度一般 ?40m ，而鋼橋在大跨度橋梁中占有絕對優(yōu)勢。近年來，已建成的港珠澳大橋、青山長江大橋、沌口長江大橋等跨海、跨江通道主梁均采用鋼橋面板形式。鋼橋面板具有突出的靜力性能的同時，受大流量、重車比例逐年增大的共同影響，多個構造細節(jié)疲勞損傷嚴重，實橋中出現了一系列大尺度疲勞裂紋。目前，鋼橋面板疲勞性能相關研究是大跨度橋梁結構性能研究的重要方向，研究成果對指導鋼橋面板構造設計具有重要意義。

相關文獻表明[1：橫隔板與縱肋交叉細節(jié)疲勞裂紋占比較高，為所有構造細節(jié)疲勞裂紋的38. 2% ，相關學者圍繞該細節(jié)疲勞性能開展了較為深入的研究。周維等2基于疲勞節(jié)段有限元模型對鋼橋面板圍焊處的疲勞應力進行了分析；楊威[3從結構變形特征出發(fā)，對橫隔板與縱肋面內變形疲勞試驗模型進行了設計優(yōu)化研究；王寶州4基于等效結構應力疲勞性能評估方法對鋼橋面板新型構造細節(jié)疲勞抗力進行了深入研究；卜一之等5和王喆分別采用栓接角鋼和CFRP板對橫隔板與縱肋交叉細節(jié)加固效果進行了研究；劉益銘等基于線彈性斷裂力學疲勞性能評估方法，對橫隔板與縱肋交叉細節(jié)典型疲勞裂紋擴展特征及疲勞壽命進行了系統(tǒng)分析。目前關于橫隔板與縱肋交叉細節(jié)的相關研究主要集中在疲勞評估方法、新型構造細節(jié)、疲勞裂紋擴展情況和加固分析等方面，且研究中均采用單一荷載形式，缺少不同輪載形式下疲勞分析，不利于提高設計人員對鋼橋面板外部荷載環(huán)境疲勞應力特征的認識。本文通過國內外不同輪載形式疲勞應力的對比分析，可為構造細節(jié)優(yōu)化設計提供重要參考。

1鋼橋面板典型構造細節(jié)介紹

鋼橋面板由不同方向的板單元經工廠焊接而組成，頂板與縱肋通過熔透焊焊接產生典型構造細節(jié)，即縱肋與頂板構造細節(jié)；縱肋連續(xù)通過橫隔板，與橫隔板通過豎向角焊縫及底部圍焊形成典型構造細節(jié)，即橫隔板與縱肋交叉細節(jié)；以上兩類構造細節(jié)一般在工廠內組成鋼橋面板節(jié)段時已形成，由于鋼橋面板整體尺度較大，節(jié)段運輸至工地現場縱肋縱向通過對接螺栓連接形成典型構造細節(jié)，即縱肋對接螺栓細節(jié)，如圖1所示。以上3種典型構造細節(jié)中第2種受力最為復雜，主要受第二體系應力影響，以彎扭應力為主，該細節(jié)易產生疲勞裂紋。因此本文主要針對橫隔板與縱肋交叉細節(jié)展開研究。

2標準疲勞車示意

鋼橋面板進行疲勞應力分析時，應選用合適的疲勞車形式。通過國內外規(guī)范調研，目前文獻中應用較多的疲勞車形式主要有國內規(guī)范、歐洲規(guī)范9和英國規(guī)范[三種，三種規(guī)范下的疲勞車存在一定差異，主要表現在輪載尺寸上。為便于直觀了解三種規(guī)范疲勞車形式及其差異，如圖2所示，分別對三種疲勞車進行了示意，其中國內規(guī)范和歐洲規(guī)范單軸輪重均為 120kN ，英國規(guī)范單軸輪重為80KN， w 為疲勞車橫向輪廓范圍。

3疲勞節(jié)段實體有限元模型的建立

3.1幾何模型尺寸

鋼橋面板構造細節(jié)受局部加載區(qū)域影響，根據受力特征，選取縱向2跨，橫向3個縱肋為幾何模型尺度范圍。橫隔板跨度均為 2000mm ，橫隔板外懸臂取500mm 。縱肋關鍵參數如下：橫向中心距為 600mm ，上開口寬為 300mm ，底部寬為 180mm ，高度為 280mm ，厚度為8mm。頂板厚度為 16mm ，橫隔板厚度為 14mm ，橫隔板開孔高度為 25mm ，為圓弧開孔形式，確保橫隔板應力過渡平順。橫隔板與縱肋交叉細節(jié)角焊縫焊腳尺寸為 8mm ，建模時考慮焊縫幾何形狀。文獻[2研究表明：鋼橋面板典型構造細節(jié)典型加載工況為輪載中心作用于縱肋腹板正上方位置，由于構造細節(jié)橫向影響線范圍明顯小于橫向輪距，因此采用單側輪載加載，疲勞應力縱向影響可通過單輪應力影響線疊加計算得到。幾何模型橫斷面與加載工況如圖3所示。

加載中心線英國規(guī)范P=40kN歐洲規(guī)范P=60kN國內規(guī)范P=60kN 18 關注位置 00L區(qū)2410300×7=2100 I 單位：

3.2有限元模型

在本文所選取的節(jié)段幾何模型尺度的基礎上，基于ANSYS實體有限元數值模擬軟件，將縱肋、頂板、橫隔板和焊縫進行離散化，建立有限元模型如圖4所示。關注位置位于中間橫隔板處，并對關注位置采用子模型進行網格細化處理，橫隔板與縱肋交叉焊縫尺寸控制在2mm以內，子模型采用solid95二次實體單元，其余區(qū)域采用solid45線性實體單元，以提高計算精度。子模型大小為：

橫向寬度 × 縱向長度 × 高度 =200m×400m×400m.

按照節(jié)段幾何模型在全橋所處位置分別對模型縱、橫和豎向線位移進行約束。疲勞車輪載依次從一端邊橫隔板正上方向另一端邊橫隔板按 100mm 縱向加載步長進行遍歷加載，每種規(guī)范疲勞車共加載21步，加載時偏不利考慮忽略鋪裝層影響。

4計算結果分析

橫隔板與縱肋交叉細節(jié)應力狀態(tài)較為復雜，難以采用單一方向應力指標進行衡量，此處結合計算結果，采用主拉應力作為疲勞代表應力。文獻[5]和[7]研究表明：橫隔板與縱肋交叉細節(jié)疲勞裂紋常常出現在圍焊焊趾處，并沿縱肋厚度方向發(fā)展。當圍焊焊趾疲勞裂紋擴展至一定長度后，勢必裂穿縱肋形成貫穿型長大裂紋進而威脅行車安全。為對比橫隔板與縱肋交叉細節(jié)在國內規(guī)范、歐洲規(guī)范和英國規(guī)范下的應力分布情況，以單輪位于中間橫隔板正上方為代表工況，分別得到關注位置子模型主拉應力云圖如圖5所示。

通過以上計算結果發(fā)現，圍焊附近區(qū)域主要受主拉應力作用，最大值基本位于圍焊焊趾處，在橫隔板面內荷載作用下，歐洲規(guī)范的圍焊焊趾疲勞應力最大，英國規(guī)范疲勞應力最小。

為進一步對比三種規(guī)范下橫隔板與縱肋交叉細節(jié)疲勞應力的差異，將輪載按照單輪影響線進行疊加，分別得到標準疲勞車下的疲勞應力歷程曲線如圖6所示。

由圖6疲勞應力歷程曲線可以得到：（1）當單側相鄰前后軸輪載對稱作用于橫隔板正上方時，橫隔板與縱肋交叉細節(jié)疲勞應力達到最大值，隨著輪載逐步向前移動，疲勞應力下降至某一數值后出現一次抬升，當輪載遠離橫隔板后，疲勞應力下降至0 MPa ；（2整體而言，橫隔板與縱肋交叉細節(jié)在國內規(guī)范、歐洲規(guī)范和英國規(guī)范標準的疲勞車下最大疲勞應力幅分別為 83.7MPa ，109.3MPa和22.5MPa，前兩種規(guī)范下整體疲勞應力水平較高，其中歐洲規(guī)范最大；（3）通過疲勞應力變化規(guī)律發(fā)現，疲勞效應在輪載作用下較為局部，當輪載大小相同時（如國內規(guī)范和歐洲規(guī)范），疲勞應力與輪載面積的集中程度直接相關，且實橋應嚴格控制車輛超載。

5結語

本文在疲勞節(jié)段幾何模型的基礎上，依托ANSYS有限元軟件，以橫隔板與縱肋交叉細節(jié)為關注對象，分別計算了國內規(guī)范、歐洲規(guī)范和英國規(guī)范的疲勞車輪載作用下該細節(jié)的疲勞應力。主要結論如下：

（1）歐洲規(guī)范的疲勞車作用下橫隔板與縱肋交叉細節(jié)最大疲勞應力幅為 109.3MPa ，分別為國內規(guī)范和英國規(guī)范的1.3倍和4.9倍，歐洲規(guī)范的疲勞效應最為顯著。

（2當疲勞車單側相鄰前后軸輪載對稱作用于橫隔板正上方時，橫隔板與縱肋交叉細節(jié)疲勞應力數值達到最大，疲勞應力最大值降低速度與相鄰前后軸輪距相關，輪距越小，下降越快。

參考文獻

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