朱勁松,郭耀華
(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300072;2.天津大學(xué) 濱海土木工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
隨公路橋梁向跨徑大、車道多、輕柔方向發(fā)展,混凝土橋梁不再滿足實(shí)際交通發(fā)展需求。由相互垂直的縱肋、橫梁和及橋面板焊接而成的正交異性鋼橋板,憑借承載能力大、自重輕、施工快、結(jié)構(gòu)美觀等優(yōu)點(diǎn)可較好解決橋梁自重、承重、跨徑間矛盾,已成為大跨徑鋼橋的首選橋面形式。然而由于正交異性鋼橋面板不僅直接承受車輪荷載的反復(fù)作用,且作為主梁的一部分共同參與受力,從而造成局部承受應(yīng)力循環(huán)次數(shù)過多,加之焊接缺陷、應(yīng)力集中影響,使鋼橋面板極易產(chǎn)生疲勞裂紋[1-2]。如英國(guó)Seven橋建成5年后即產(chǎn)生多種疲勞裂紋。日、美、德等國(guó)亦在正交異性鋼橋面板橋梁上發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋[3]。我國(guó)鋼橋設(shè)計(jì)、建設(shè)起步較晚,雖汲取國(guó)外鋼橋疲勞設(shè)計(jì)的寶貴經(jīng)驗(yàn)及研究成果,但由于公路交通流量大、載重超載等實(shí)際情況及缺乏符合我國(guó)情的設(shè)計(jì)規(guī)范約束,部分鋼橋均出現(xiàn)疲勞裂紋,如虎門大橋、江陰長(zhǎng)江公路大橋等。大跨度鋼橋一旦出現(xiàn)疲勞裂紋,不僅維修困難、費(fèi)用昂貴,且會(huì)引起橋梁突然破壞的災(zāi)難性事故,如美國(guó)的Point Pleasant 橋斷裂事故。目前疲勞開裂導(dǎo)致維修加固需求十分突出,而維修加固方法并非有效,原因?yàn)閷?duì)疲勞失效機(jī)理研究不深入。
本文通過分析正交異性鋼橋面板疲勞損傷累積并由其引發(fā)的裂紋擴(kuò)展機(jī)理,采用有限元方法模擬疲勞裂紋擴(kuò)展,計(jì)算中通過對(duì)疲勞細(xì)節(jié)處應(yīng)力幅修正,考慮車輛輪軸橫向位置、平均日交通量、年增長(zhǎng)率和及沖擊系數(shù)等因素影響,獲得等效應(yīng)力幅。其中沖擊系數(shù)用車橋耦合振動(dòng)模擬程序?qū)θ珮蚰P瓦M(jìn)行加載獲得。對(duì)某鋼橋典型疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬,并與實(shí)橋檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析表明,本文方法與計(jì)算流程可行、準(zhǔn)確,并為通用的正交異性板鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)及開裂加固提供理論指導(dǎo)。
正交異性鋼橋面板為全焊接結(jié)構(gòu)。由于焊接部位的疲勞強(qiáng)度通常較非焊接部位低得多,且焊接部位存在焊接缺陷及應(yīng)力集中,導(dǎo)致縱肋、橫梁、橋面板交叉的應(yīng)力敏感部位極易產(chǎn)生疲勞裂紋。結(jié)合國(guó)內(nèi)外正交異性鋼橋面板疲勞裂紋調(diào)查結(jié)果[4],正交異性鋼橋面板典型疲勞細(xì)節(jié)分類見表1。
表1 正交異性鋼橋面板典型疲勞裂紋分類
據(jù)正交異性鋼橋面板疲勞裂紋成因不同,可分為由主應(yīng)力引起的裂紋與由次應(yīng)力引起的裂紋。前者稱荷載引起的裂紋,后者稱面外變形引起的裂紋。導(dǎo)致疲勞敏感部位應(yīng)力幅過大原因又分為內(nèi)因、外因,內(nèi)因?yàn)槠诩?xì)節(jié)自身缺陷,如焊接缺陷及安裝誤差等;外因?yàn)槠嚮钶d循環(huán)往復(fù)作用等[5]。在內(nèi)外因共同作用下,細(xì)節(jié)部位疲勞累積損傷一旦達(dá)臨界值則發(fā)生損傷成核、產(chǎn)生宏觀裂紋,宏觀裂紋按斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展機(jī)理擴(kuò)展直至發(fā)生脆性失效斷裂。
大跨度橋梁體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,進(jìn)行全橋精細(xì)化有限元分析工作量巨大,實(shí)際計(jì)算中較難實(shí)現(xiàn)。本文進(jìn)行疲勞細(xì)節(jié)部位應(yīng)力幅計(jì)算時(shí),采用局部精細(xì)化有限元模型;確定各疲勞細(xì)節(jié)部位沖擊系數(shù)時(shí)用梁?jiǎn)卧⑷珮蛴邢拊P瓦M(jìn)行分析;對(duì)應(yīng)力幅進(jìn)行等效計(jì)算時(shí),綜合考慮車輛輪軸橫向位置分布、平均日交通量、年增長(zhǎng)率及沖擊系數(shù)對(duì)鋼橋疲勞細(xì)節(jié)部位應(yīng)力幅影響,修正獲得等效應(yīng)力幅值;對(duì)各疲勞細(xì)節(jié)建立子結(jié)構(gòu)有限元模型,利用應(yīng)力等效原則求得所需施加的荷載值進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬。
2.1.1 疲勞荷載模型
我國(guó)現(xiàn)有公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中尚無(wú)關(guān)于汽車疲勞荷載的明確規(guī)定。文獻(xiàn)[6-7]則規(guī)定疲勞車總重分別為320 kN及325 kN;朱勁松等[8]通過對(duì)重慶朝天門大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋、湛江海灣大橋等設(shè)計(jì)交通流量及不同車型所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析提出的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車總重約為320 kN。故對(duì)我國(guó)公路橋梁進(jìn)行疲勞分析時(shí)也可據(jù)文獻(xiàn)[6-7]選取。本文采用BS5400標(biāo)準(zhǔn)疲勞車計(jì)算分析,該標(biāo)準(zhǔn)疲勞車軸重布置見圖1。
圖1 BS5400標(biāo)準(zhǔn)疲勞車軸重布置圖(單位mm)
隨交通量激增及汽車超載嚴(yán)重,致部分道路及橋梁在使用初期即出現(xiàn)破壞,故進(jìn)行鋼橋疲勞分析時(shí),車輛超載影響不可忽略,其影響可通過調(diào)查確定超載系數(shù)考慮。
2.1.2 車輛輪軸橫向分布
正交異性鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)部位應(yīng)力幅對(duì)車輛荷載位置較敏感,而車輛在行駛過程中的橫向位置具有隨機(jī)性,故在進(jìn)行疲勞分析過程中需考慮車輛輪軸位置橫向分布等效損傷影響。國(guó)外規(guī)范[9-11]均有關(guān)于車輛輪軸位置橫向分布的概率模型,與吳沖等[12]調(diào)查虎門大橋提出的概率模型對(duì)比發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)車輛輪軸位置的分散程度遠(yuǎn)大于國(guó)外。為與國(guó)內(nèi)車輛實(shí)際通行狀況相符,本文采取此車輛輪軸位置橫向分布概率模型。據(jù)不同加載工況各疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力影響線及所用車輛輪軸位置橫向分布概率模型,按Miner線性累積損傷法獲得第j軸引起的等效應(yīng)力幅值為
(1)
式中:Δσj·eq為車輛第j軸引起的等效應(yīng)力幅;pi為第i種車輛輪軸橫向位置頻率;Δσi為第i種車輛輪軸橫向位置對(duì)應(yīng)的疲勞細(xì)節(jié)部位應(yīng)力幅;m為應(yīng)力幅-壽命曲線斜率參數(shù),一般取3。
2.1.3 平均日交通量
橋梁平均日交通量的大小將直接影響橋梁設(shè)計(jì)使用壽命期限內(nèi)橋梁遭受的疲勞循環(huán)荷載次數(shù),從而影響橋梁疲勞壽命及疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)程。橋梁設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi),能引起構(gòu)件疲勞損傷的荷載循環(huán)次數(shù)NV計(jì)算式為
NV=365T∑(RiωiAAADT)
(2)
式中:T為橋梁設(shè)計(jì)使用壽命(年);AAADT為橋梁年平均日交通量;Ri為模型車輛荷載頻譜值中第i輛車車軸數(shù);ωi為第i輛模型車日交通量占年平均日總交通量比例。
2.1.4 交通量年增長(zhǎng)率
一般通過交通量年增長(zhǎng)率α考慮交通量增長(zhǎng)率對(duì)NV的影響[13]:
(3)
對(duì)考慮平均日交通量及年增長(zhǎng)率的變幅應(yīng)力幅等效處理
(4)
式中:nj為車輛第j個(gè)軸所致應(yīng)力循環(huán)次數(shù);Δσj為車輛第j個(gè)軸所致應(yīng)力幅值。
2.1.5 沖擊系數(shù)
汽車以一定速度駛過橋梁時(shí),由于橋面不平整、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等因素會(huì)使橋梁發(fā)生振動(dòng),從而造成內(nèi)力增大,此動(dòng)力效應(yīng)稱為沖擊作用,一般通過沖擊系數(shù)μ考慮[14]。本文采用車橋耦合振動(dòng)模擬程序?qū)?shí)橋模型進(jìn)行分析[15],以獲取各疲勞細(xì)節(jié)部位的沖擊系數(shù),研究沖擊系數(shù)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展影響。考慮車輛輪軸橫向位置分布、平均日交通量、年增長(zhǎng)率及沖擊系數(shù)對(duì)鋼橋疲勞細(xì)節(jié)部位應(yīng)力幅影響,修正得等效應(yīng)力幅值Δσeq為
2.2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展路徑
本文采用能量釋放率準(zhǔn)則對(duì)二維疲勞裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行數(shù)值模擬。能量釋放率為裂紋邊緣擴(kuò)展單位面積釋放處能量,能量釋放率理論亦稱G準(zhǔn)則,其兩假設(shè)[16]為
(1) 裂紋沿應(yīng)變能釋放率最大方向開始擴(kuò)展;
(2) 能量釋放率達(dá)到一定臨界限值時(shí),裂紋開始擴(kuò)展,得能量釋放率斷裂準(zhǔn)則:
(6)
式中:Gθ為裂紋擴(kuò)展能量釋放率;v為裂紋相對(duì)位移;E為材料彈性模量;θ0為裂紋擴(kuò)展方向角;KIC為材料斷裂韌度。
2.2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命
通常結(jié)構(gòu)焊接部位存在焊接缺陷及應(yīng)力集中,疲勞裂紋易產(chǎn)生于此處,裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段可決定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,Paris等[17]基于線彈性斷裂力學(xué)提出的裂紋擴(kuò)展速率公式為
da/dN=C(ΔK)m
(7)
式中:a為裂紋深度;N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù);C,m為材料常數(shù)[18],取C=6.89×10-12,m=3;ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值,可通過有限單元法計(jì)算[19-20]。
裂紋擴(kuò)展速率直接決定裂紋擴(kuò)展壽命及鋼橋構(gòu)件的疲勞壽命,對(duì)式(7)積分得鋼橋疲勞裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算公式為
(8)
式中:a0為裂紋初始深度,取0.1 mm;ac為裂紋最終擴(kuò)展深度,對(duì)頂板及縱肋取板厚[21],為方便對(duì)比橫隔板也取頂板厚度。
2.2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬流程
在以上分析基礎(chǔ)上提出的正交異性鋼橋面板疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬方法流程見圖2。
圖2 疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬流程圖
天津?yàn)I海新區(qū)某公路大橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋,主橋全長(zhǎng)500 m,主梁為鋼混結(jié)構(gòu),主跨除近主塔附近20 m為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁外,其余290 m為正交異性鋼橋面板鋼箱梁,鋼箱梁橋面鋪裝7 cm厚瀝青混凝土。通車8年后對(duì)該橋檢測(cè)時(shí),在主跨鋼梁中發(fā)現(xiàn)大量疲勞裂紋。為給此類橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)、裂紋檢測(cè)周期確定提供理論依據(jù),采用本文方法對(duì)該橋典型疲勞裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行數(shù)值分析。
利用ANSYS有限元軟件建立全橋三維有限元模型見圖3,拉索采用Link8單元,主塔、正交異性鋼橋面板主梁及混凝土主梁均采用Beam188單元。選主跨跨中主梁截面各疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)部分析,利用車橋耦合振動(dòng)程序?qū)θ珮蜻M(jìn)行分析,獲得各疲勞細(xì)節(jié)部位的應(yīng)力沖擊系數(shù)。建立鋼橋面板局部有限元模型,橋面采用空間板橋單元Shell63,橋面鋪裝采用Solid45單元。由于各疲勞細(xì)節(jié)部位應(yīng)力影響線較短,為使一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車能全程通過,考慮邊界條件影響,計(jì)算模型縱向取10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)階段(3.2 m),縱向長(zhǎng)度32 m,橫向?qū)挾?個(gè)縱肋寬度計(jì)3.6 m,頂板、橫隔板、縱肋厚度分別為14 mm、10 mm、6 mm,并計(jì)及7 cm橋面鋪裝。模型全局采用0.1 m網(wǎng)格密度,疲勞細(xì)節(jié)部位采用0.02 m網(wǎng)格加密。局部模型兩端采用簡(jiǎn)支約束,并在橫梁兩端加橫、豎向位移約束及繞縱軸、豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)約束,限制橫梁底端的豎向位移,模型見圖4。
圖3 斜拉橋有限元模型
圖4 橋面板有限元模型
該橋?yàn)殡p向四車道,單車道通行量15 000輛/天,采用BS 5400疲勞標(biāo)準(zhǔn)車對(duì)橋面板進(jìn)行加載。為考慮車輛輪軸橫向位置對(duì)疲勞細(xì)節(jié)處影響,需將疲勞標(biāo)準(zhǔn)車在橫向分別置于不同位置加載分析,由于BS 5400疲勞標(biāo)準(zhǔn)車單個(gè)輪胎觸地面積為0.2 m×0.2 m,因此可取橫橋向每偏離0.2 m作為一加載工況,據(jù)車輛輪軸位置橫向分布概率模型,車軸偏離中心位置大于0.8 m的概率幾乎為零。綜上所述,分9個(gè)加載工況,見圖5。
多座正交異性鋼橋面板鋼橋病害檢測(cè)結(jié)果表明,疲勞裂紋產(chǎn)生最多部位為U肋與橫肋交叉處(A類)及U肋與橋面板焊接連接處(B類),其中產(chǎn)生于U肋與頂板焊根處的焊縫開裂裂紋A2可通過提高焊接質(zhì)量避免,因此選取A1,B1,B2三類疲勞裂紋建模、分析,并以A1疲勞細(xì)節(jié)為例,說明等效應(yīng)力幅計(jì)算方法。由于BS 5400疲勞標(biāo)準(zhǔn)車4個(gè)軸重相同,且前兩軸與后兩軸相距較遠(yuǎn),影響線間相互影響較小,為顯示方便僅列出前兩軸應(yīng)力歷程,不同工況下A1疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力歷程見圖6。
圖5 加載工況
鋼橋焊縫處最易發(fā)生疲勞裂紋。由于整體模型受單元尺寸限制無(wú)法體現(xiàn)焊縫細(xì)節(jié)部位的應(yīng)力情況,需對(duì)受損局部區(qū)域建立子模型模擬此處裂紋擴(kuò)展。按本文方法對(duì)A1疲勞細(xì)節(jié)建模,局部子模型采用Plain82單元,在裂紋尖端區(qū)域采用奇異單元精細(xì)劃分,并對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)域加密處理,模型兩端采用簡(jiǎn)支約束,并對(duì)底端加豎向約束;基于應(yīng)力等效原則,將等效應(yīng)力幅轉(zhuǎn)化為施加于橋面板的荷載,疲勞細(xì)節(jié)部位有限元模型見圖7。
3.4.1 擴(kuò)展路徑
對(duì)A1疲勞裂紋,當(dāng)縱肋內(nèi)側(cè)彎矩大于外側(cè)時(shí),裂紋產(chǎn)生在焊趾處,反之則產(chǎn)生在焊根處。A1,B1,B2處疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)橋檢測(cè)裂紋模式對(duì)比見圖8、圖9。由二圖看出,用本文數(shù)值模擬方法所得裂紋擴(kuò)展路徑與鋼橋?qū)嶋H疲勞裂紋擴(kuò)展路徑相近,證明此方法準(zhǔn)確、可行。
圖8 A1處疲勞裂紋擴(kuò)展路徑對(duì)比
圖9 B1、B2處疲勞裂紋擴(kuò)展路徑對(duì)比
3.4.2 擴(kuò)展壽命
對(duì)A1焊根、焊趾處及B1,B2處疲勞裂紋進(jìn)行裂紋擴(kuò)展壽命分析,結(jié)果見圖10。由圖10可見,初期裂紋擴(kuò)展較慢,深度超3 mm后迅速擴(kuò)展。對(duì)比4種裂紋類型,B1與B2處裂紋疲勞壽命較短,此因橫隔板限制U肋的撓曲變形,連接焊縫處應(yīng)力較大,且橫隔板面內(nèi)變形及應(yīng)力在開口處U肋變形處發(fā)生較大應(yīng)力集中[22];A1處疲勞裂紋尖端承受應(yīng)力幅值較小,故其疲勞壽命相對(duì)較長(zhǎng)。
圖10 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命
3.5.1 鋪裝厚度
進(jìn)行鋼橋面疲勞分析時(shí)鋪裝層作用不可忽略[23]。選鋪裝層彈性模量3400 MPa、分析鋪裝層厚度5 cm,7 cm,9 cm,11cm時(shí),鋼橋各疲勞細(xì)節(jié)部位裂紋擴(kuò)展壽命結(jié)果見圖11。由圖11可見,A1焊趾處疲勞裂紋擴(kuò)展初期,鋪裝層厚度由7 cm增至9 cm,其剩余壽命延長(zhǎng)約38%;鋪裝層厚度由7 cm減至5 cm,其剩余壽命則縮短約30%。其余細(xì)節(jié)處疲勞裂紋變化趨勢(shì)類似,說明疲勞裂紋擴(kuò)展壽命對(duì)鋪裝層厚度變化較敏感,此因鋪裝層厚度的增加可直接降低各疲勞細(xì)節(jié)處疲勞應(yīng)力幅值,延長(zhǎng)其裂紋擴(kuò)展壽命。
3.5.2 路況
橋上路面粗糙程度分為很好、好、一般、差及很差5個(gè)等級(jí)[15]。各路況下疲勞細(xì)節(jié)處沖擊系數(shù)不同,會(huì)直接影響到裂紋擴(kuò)展壽命,因此需考慮橋上路面粗糙度對(duì)各疲勞細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展壽命影響。選BS 5400疲勞標(biāo)準(zhǔn)車,車速60 km/h、橋面鋪裝層厚7 cm進(jìn)行分析,結(jié)果見圖12。由圖12看出,各疲勞細(xì)節(jié)處裂紋擴(kuò)展壽命隨路況的變差而縮短,其中以路況一般為分界線,當(dāng)路況退化到一般以下后,裂紋擴(kuò)展壽命迅速縮短。此因路面較粗糙時(shí)車輛行駛不平穩(wěn),跳車現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致車輛對(duì)橋梁沖擊力增大,疲勞細(xì)節(jié)部位所受應(yīng)力幅值增大,從而致使裂紋擴(kuò)展壽命降低。
3.5.3 超載
我國(guó)車輛超載現(xiàn)象非常嚴(yán)重,從而加速路面破壞,縮短檢修期,使養(yǎng)護(hù)費(fèi)用成倍增加。為研究超載對(duì)鋼橋疲勞裂紋擴(kuò)展壽命影響,分析車速60 km/h,路面粗糙度為一般、橋面鋪裝厚7 cm時(shí),車輛超載系數(shù)分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0六種工況下疲勞裂紋擴(kuò)展壽命,結(jié)果見圖13。由圖13看出,隨車輛超載量的增加,各疲勞細(xì)節(jié)處裂紋擴(kuò)展壽命急劇縮短,超載量60%時(shí),各疲勞細(xì)節(jié)處裂紋擴(kuò)展壽命已縮短至無(wú)超載時(shí)的一半。
3.5.4 交通量年增長(zhǎng)率
圖11 不同鋪裝層厚度下各疲勞細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展壽命
圖14 不同交通量年增長(zhǎng)率下各疲勞細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展壽命
(1) 通過實(shí)橋算例分析表明,本文所提方法可較好模擬正交異性鋼橋面板疲勞裂紋擴(kuò)展過程。
(2) 疲勞裂紋擴(kuò)展初期較慢,裂紋深度超3 mm后,裂紋迅速擴(kuò)展,抵抗疲勞能力較小。
(3) 鋼橋各疲勞細(xì)節(jié)處裂紋擴(kuò)展壽命受多種因素影響,對(duì)交通量年增長(zhǎng)率最敏感,交通量年增長(zhǎng)率每增加1%,裂紋擴(kuò)展壽命約縮短一半;車輛超載量60%時(shí),裂紋擴(kuò)展壽命將縮短至無(wú)超載時(shí)約一半;路況退化到一般以下后,裂紋擴(kuò)展壽命迅速縮短;裂紋擴(kuò)展壽命對(duì)橋面鋪裝厚度變化較敏感,進(jìn)行鋼橋疲勞分析時(shí),不應(yīng)忽略鋪裝層作用。
(4) 據(jù)本文所求各疲勞細(xì)節(jié)處裂紋擴(kuò)展剩余壽命曲線,可合理安排鋼橋檢測(cè)時(shí)間,并在檢測(cè)到裂紋的實(shí)際長(zhǎng)度后,查此曲線獲得其剩余壽命;通過數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑,為鋼橋疲勞裂紋修復(fù)及加固提供指導(dǎo)。
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