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        正交異性板縱肋—面板焊接接頭熱點(diǎn)應(yīng)力分析

        2012-01-24 03:50:48遲嘯起張海芳
        山西建筑 2012年22期
        關(guān)鍵詞:輪壓焊趾鋼橋

        遲嘯起 張海芳

        (北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

        正交異性板縱肋—面板焊接接頭熱點(diǎn)應(yīng)力分析

        遲嘯起 張海芳

        (北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

        對(duì)某大橋正交異性鋼橋面板的縱肋—面板焊接接頭進(jìn)行了熱點(diǎn)應(yīng)力法實(shí)體單元有限元分析,通過(guò)ABAQUS的模擬分析結(jié)果表明,輪壓對(duì)于正交異性板鋼橋面板的應(yīng)力影響范圍很小,對(duì)縱肋—面板焊接接頭的應(yīng)力提升不明顯,接頭非線性應(yīng)力分布在距離焊趾0.4t的范圍內(nèi),應(yīng)力分布特點(diǎn)與以往針對(duì)平板焊接結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力研究成果相吻合。

        正交異性板,縱肋—蓋板接頭,熱點(diǎn)應(yīng)力,疲勞分析

        0 引言

        正交異性鋼橋面板在我國(guó)目前大跨橋梁的建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用十分廣泛,同時(shí)其在工程中最主要的病害是焊接接頭的疲勞開(kāi)裂。目前針對(duì)焊接接頭的疲勞壽命評(píng)估主要使用基于S—N曲線的名義應(yīng)力法。但是在實(shí)際工程中名義應(yīng)力法的應(yīng)用有諸多的限制,一方面復(fù)雜連接部位的名義應(yīng)力通常無(wú)法找到明確的分類,另一方面,使用有限元分析計(jì)算解析法難以得出的局部應(yīng)力時(shí),其應(yīng)力結(jié)果的導(dǎo)出也很難做到精確合理。

        隨著有限元的廣泛應(yīng)用,熱點(diǎn)應(yīng)力法在近20年來(lái)得到很大發(fā)展。特別是基于表面外推針對(duì)焊趾開(kāi)裂的熱點(diǎn)應(yīng)力法疲勞分析研究成果顯著,在船舶工程[1]、機(jī)械制造業(yè)[2]中廣泛應(yīng)用。熱點(diǎn)應(yīng)力法應(yīng)用到鋼橋的疲勞壽命評(píng)估的實(shí)踐還不多,因此針對(duì)其進(jìn)行研究探討很有意義。

        1 基本原理

        1.1 熱點(diǎn)應(yīng)力以及其組成

        焊接結(jié)構(gòu)中,焊接切口效應(yīng)會(huì)影響焊趾附近區(qū)域應(yīng)力沿板厚的線性分布。焊趾處的切口應(yīng)力值要比名義應(yīng)力值高得多,而這控制著沿板厚方向的疲勞開(kāi)裂。因?yàn)樵诔跏剂鸭y出現(xiàn)前在這一點(diǎn)產(chǎn)生了塑性應(yīng)變,這一區(qū)域的溫度也會(huì)升高,因此形象的稱為熱點(diǎn),熱點(diǎn)應(yīng)力法即是對(duì)此熱點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析的方法。在熱點(diǎn)區(qū)域的非線性的應(yīng)力分布由膜應(yīng)力、板的彎曲應(yīng)力以及非線性應(yīng)力峰值三部分組成,Hobbacher[3]給出了三種應(yīng)力的分布函數(shù),熱點(diǎn)應(yīng)力法中的熱點(diǎn)應(yīng)力并不考慮非線性應(yīng)力峰值的影響,根據(jù)IIW的規(guī)定,在實(shí)際應(yīng)用中其值由式(1)表示。

        其中,σhs為熱點(diǎn)應(yīng)力值;σmem為膜應(yīng)力;σben為板的彎曲應(yīng)力。

        1.2 熱點(diǎn)類型及表面外推公式

        在使用熱點(diǎn)應(yīng)力法時(shí),根據(jù)IIW的規(guī)定,焊接部位的熱點(diǎn)分為兩種類型(見(jiàn)圖1):

        1)位于板的表面。

        2)位于板的邊緣。

        圖1 不同類型的熱點(diǎn)

        本文中所要研究的縱肋—面板焊接接頭焊趾開(kāi)裂為1)類型的熱點(diǎn)。

        熱點(diǎn)應(yīng)力本質(zhì)上是一個(gè)假想值,而在應(yīng)用中如何考慮焊趾處的非線性應(yīng)力峰值是一個(gè)重要問(wèn)題。根據(jù)Ericksson[4]研究,非線性應(yīng)力峰值包含了兩種應(yīng)力提高因素(見(jiàn)圖2)。一種為切口效應(yīng)所引起,另一種為局部幾何因素所引起。簡(jiǎn)單的分離這兩部分的方法就是找到距離焊趾一個(gè)合適位置的表面外推點(diǎn)。以往研究表明非線性應(yīng)力峰值的影響通常在距離焊趾0.3t~0.4t就基本消失。各國(guó)研究學(xué)者和船級(jí)社外推點(diǎn)的選取以及外推公式不盡相同,其中國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW建議采用距離焊趾0.4t和1.0t兩點(diǎn)作為線性外推點(diǎn),給出的外推公式為式(2)。

        其中,σ0.4t為距離焊趾 0.4 倍面板厚度處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力;σ1.0t為距離焊趾1.0倍面板厚度處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。

        圖2 焊趾附近的應(yīng)力構(gòu)成

        2 模型建立

        本文針對(duì)某大橋正交異性鋼橋面板進(jìn)行有限元分析,采用8縱肋局部模型,因橫隔板對(duì)橋面板起到了支撐作用,因此跨度采用橫隔板的間距4 m。橋面板的板厚為14 mm,每個(gè)縱肋相距600 mm,典型縱肋為梯形縱肋,縱肋尺寸見(jiàn)圖3。

        根據(jù)Hobbacher的研究,熱點(diǎn)應(yīng)力法的有限元模型宜采用8節(jié)點(diǎn)的板殼單元以及20節(jié)點(diǎn)的縮減積分實(shí)體單元,并且單元的積分點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)應(yīng)與外推點(diǎn)的位置是一致的,這樣才能保證計(jì)算的精度。

        本文中采用實(shí)體單元進(jìn)行建模,模擬輪壓荷載在跨中的作用,輪壓面積按照國(guó)內(nèi)規(guī)范的要求采用600 mm×200 mm,輪壓橫向間距為1.8 m,軸重100 kN,荷載根據(jù) Zhi-Gang Xiao等人[5]的研究使荷載中心布置在肋壁上方,荷載位置局部網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化,計(jì)算模型見(jiàn)圖4,其中圖4a)為計(jì)算整體模型,圖4b)為縱肋—面板連接局部。

        圖4 正交異性鋼橋面板有限元模型

        3 有限元分析結(jié)果

        經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算,得到了正交異性鋼橋面板整體模型的Mises應(yīng)力云圖,如圖5a)所示,縱肋—面板連接放大得到的S11應(yīng)力云圖如圖5b)所示。

        圖5 正交異性鋼橋面板模型應(yīng)力云圖

        由圖5可知,在輪壓荷載下,面板上的應(yīng)力分布范圍較小,兩個(gè)輪壓對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生的疊加效應(yīng)并不明顯。由于縱肋肋壁的支撐作用,肋壁上方的橋面板產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。而對(duì)于焊趾附近區(qū)域的應(yīng)力情況,通過(guò)統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值,得到結(jié)果如圖6所示,可見(jiàn)焊縫區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)還是十分明顯的,而這種應(yīng)力集中的現(xiàn)象在距離焊趾4 mm~5 mm處就基本消失,這與IIW規(guī)范以及以往針對(duì)平板焊接結(jié)構(gòu)的研究成果是吻合的,因此將IIW規(guī)范的熱點(diǎn)應(yīng)力法用于正交異性板縱肋—面板連接進(jìn)行疲勞估算是合適的。

        計(jì)算模型中縱肋—面板連接距離焊趾0.4t和1.0t外推點(diǎn)應(yīng)力分別為-55.76 MPa和-42.26 MPa,通過(guò)外推公式計(jì)算得到的熱點(diǎn)應(yīng)力值為-64.81 MPa。因?yàn)闊狳c(diǎn)應(yīng)力是線性應(yīng)力的疊加,因此對(duì)于該大橋正交異性板縱肋—面板焊接接頭疲勞壽命估算時(shí),在彈性范圍內(nèi)可以使用100 kN軸載下的此熱點(diǎn)應(yīng)力值為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

        圖6 正交異性鋼橋面板縱肋—蓋板連接焊接趾附近的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

        根據(jù)IIW規(guī)范,縱肋—面板焊接接頭熱點(diǎn)應(yīng)力符合100分級(jí),考慮軸載為0~1加載情況,則100 kN軸載對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力幅為64.81 MPa,可以得出該大橋正交異性板縱肋—面板焊接接頭200萬(wàn)次疲勞壽命對(duì)應(yīng)的等效軸載為154.3 kN。

        4 結(jié)語(yǔ)

        在輪壓荷載下,面板上的應(yīng)力分布范圍較小,兩個(gè)輪壓對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生的疊加效應(yīng)不明顯。針對(duì)本文的正交異性板設(shè)計(jì)方案,采用20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬其縱肋—面板焊接接頭時(shí),焊接區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象分布在距離焊趾0.4t以內(nèi),之后應(yīng)力呈線性分布。利用IIW規(guī)范對(duì)該焊接接頭進(jìn)行疲勞估算時(shí),在100 kN軸載下,縱肋—面板焊接接頭熱點(diǎn)應(yīng)力值為-64.81 MPa。200萬(wàn)次常幅疲勞壽命對(duì)應(yīng)的軸載為154.3 kN。

        [1]詹志鵠,夏洪祿.船舶縱向構(gòu)件疲勞評(píng)估的熱點(diǎn)應(yīng)力方法[J].船海工程,2007,36(4):15-19.

        [2]王 忠,張開(kāi)林,魏 朔.機(jī)車減振器座焊縫疲勞的熱點(diǎn)應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機(jī)車,2006(8):12-14,21.

        [3]Hobbacher A.Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components IIW Document XIII-1965-03,XV-1127-03,Paris,2005.

        [4]Ericksson A.Weld Evaluation Using FEM:A Guide to Fatigueloaded Structures[M].Stockholm:Industrilitteratur,2003.

        [5]Xiao Z.G.,Yamada K.,Inoue J.,et al.Fatigue Cracks in Longitudinal Ribs of Steel Orthotropic deck.Int.J.Fatigue,2009 (28):409-416.

        Analysis on hot-spot stress of orthotropic longitudinal rib-surfacing plate welding joint

        CHI Xiao-qiZHANG Hai-fang

        (College of Building Engineering,Beijing University of Industry,Beijing 100124,China)

        The paper carries out the finite element analysis of hot-spot stress method of orthotropic longitudinal rib-surfacing plate welding joint.ABAQUS simulation results show that:the wheel-pressure has little effect upon the steel-plate bridge stress influence scope of orthotropic plate,there is little effect of longitudinal rib-surfacing plate stress,nonlinear stress distribution of the joint is within 0.4t,stress distribution features are in accordance with the hot-spot stress research achievements of the horizontal plate welding structure.

        orthotropic plate,longitudinal rib-covering slab joint,hot-spot stress,fatigue analysis

        U443.31

        A

        10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.22.072

        1009-6825(2012)22-0179-02

        2012-05-04

        遲嘯起(1986-),男,在讀碩士

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