陳佳琪

(中鐵建云南交通建設(shè)管理有限公司 云南昆明 650000)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展，橋梁用鋼量和性能都有了很大提升，進(jìn)一步促進(jìn)了大跨度鋼橋的設(shè)計(jì)建造。鋼橋相比于混凝土橋，具有質(zhì)量輕、跨越能力大、加工性能好、易于修復(fù)和更換、方便回收利用等優(yōu)點(diǎn)。近年來國(guó)內(nèi)修建了眾多的大跨度橋梁，如港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、朝天門長(zhǎng)江大橋等。鋼橋的連接經(jīng)歷了傳統(tǒng)的鉚接、栓接到目前常用的焊接技術(shù)。當(dāng)前鋼橋的主要建造方式大多為既有場(chǎng)內(nèi)焊接節(jié)段模型，運(yùn)到橋位現(xiàn)場(chǎng)后再通過栓接或者焊接完成成橋狀態(tài)的連接[1－3]。

然而鋼橋由于其結(jié)合構(gòu)造復(fù)雜，焊接處通常會(huì)出現(xiàn)不同程度的焊接缺陷或焊接殘余應(yīng)力，在車輛等動(dòng)荷載作用下易發(fā)生疲勞開裂，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性事故[4－7]。例如:1877年美國(guó) Ashtabula鋼桁梁橋突然斷裂，其原因是由于橋梁局部構(gòu)件疲勞破壞所致。英國(guó)Seven橋于1966年建成，橋梁的封頭板與縱肋下緣焊連處、縱肋和橫梁角焊縫連接處端頭在通車五年后出現(xiàn)多處開裂現(xiàn)象，后續(xù)再次發(fā)現(xiàn)多處角焊縫(縱肋邊緣與橋面板連接處、U肋與橫梁連接處)以及U肋與橫隔板焊縫處等部位出現(xiàn)了不同程度的裂紋。1994年韓國(guó)圣水大橋，由于支撐材料疲勞腐蝕而引發(fā)局部橋體斷裂，最終墜落，橋上多輛汽車因此墜入江中，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。1995年中國(guó)廣州市海印大橋在運(yùn)營(yíng)7年后發(fā)生斜拉索脆斷事故，其原因是由于鋼索出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，在外部車輛循環(huán)荷載的作用下引發(fā)疲勞破壞。2001年中國(guó)宜賓市小南門橋也不幸發(fā)生了橋面斷落坍塌事故，事故原因是由于局部構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞斷裂所致。2001年美國(guó)密爾沃基市的Daniel Webster Hoan Bridge引橋發(fā)生了斷裂事故，事故原因也是局部疲勞破壞所致。從上述事例可以發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞是引發(fā)橋梁鋼結(jié)構(gòu)斷裂事故的主要原因之一。鋼橋所受應(yīng)力幅和構(gòu)造細(xì)節(jié)是疲勞設(shè)計(jì)最為關(guān)注的兩個(gè)要點(diǎn)。

正交異性鋼橋面板具有良好的整體受力性能，質(zhì)量輕、便于建造，目前被廣泛應(yīng)用于各式橋梁結(jié)構(gòu)中(見圖1)。已有研究發(fā)現(xiàn)，正交異性鋼橋面板由于焊縫較為密集，并且長(zhǎng)期承受反復(fù)的交通荷載作用，在應(yīng)力集中最敏感的部位(橋面、橫梁和縱向加勁肋三者相交位置)很容易產(chǎn)生疲勞裂紋。其中縱肋與橫隔板構(gòu)造細(xì)節(jié)上有兩處最容易發(fā)生開裂[8－9]:(1)縱肋橫隔板連接的焊趾處；(2)靠近焊趾的缺口處。在實(shí)際鋼橋設(shè)計(jì)中，出于焊接施工等技術(shù)環(huán)節(jié)的要求，對(duì)于U肋與橫隔板連接處的缺口形式呈現(xiàn)多樣化現(xiàn)象。而對(duì)于不同缺口引發(fā)的局部構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，目前卻很少有人進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。鑒于此，本文采用有限元軟件ABAQUS系統(tǒng)分析了鋼箱梁U肋與橫隔板連接處分別采用不同缺口形式后對(duì)連接處應(yīng)力集中的影響，以此來進(jìn)一步指導(dǎo)缺口形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 正交異性鋼橋面板總體構(gòu)造

2 有限元模型

(1)模型細(xì)節(jié)

詳細(xì)的有限元分析計(jì)算過程在商用有限元軟件ABAQUS/EXPLICIT模塊中進(jìn)行[10]。鑒于模型的對(duì)稱性，為了節(jié)約計(jì)算成本，建立鋼箱梁的四分之一有限元模型，見圖2。實(shí)際鋼箱梁橋幾何模型的尺寸為長(zhǎng)12 000 mm、寬4 000 mm、高2 000 mm，翼緣長(zhǎng)200 mm，U型縱肋間距為150 mm。面板、腹板以及底板厚度為16 mm，橫隔板間距為800 mm，厚度為10 mm。為便于對(duì)比分析，分別建立兩種不同的幾何細(xì)節(jié)模型，主要體現(xiàn)在U肋與橫隔板連接處下方缺口的形式不同，模型采用工程上常見缺口細(xì)節(jié)，見圖3。模型一:缺口為圓弧形過渡；模型二:缺口為比較常見的蘋果形。單元類型采用四面體單元C3D4。為了有效捕捉缺口細(xì)節(jié)周邊的應(yīng)力梯度同時(shí)兼顧計(jì)算效率，在U肋與橫隔板的連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其余遠(yuǎn)離構(gòu)造細(xì)節(jié)部位的網(wǎng)格較為稀疏[11]。

圖2 鋼箱梁四分之一有限元模型

圖3 U肋與橫隔板連接缺口細(xì)部

(2)約束與加載模式

鋼箱梁采用Q345q鋼板進(jìn)行焊接，在分析計(jì)算時(shí)材料模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3，屈服應(yīng)力為345 MPa。在模型的對(duì)稱邊界上X方向和Z方向分別施加對(duì)稱約束，端部約束Z方向位移，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生剛體位移。

如前所述，鋼箱梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)與其疲勞壽命息息相關(guān)。為了能夠反映鋼箱梁真實(shí)的受力狀態(tài)，文中的加載工況參閱了英國(guó)公路橋梁規(guī)范BS5400[12]。該規(guī)范給出了常見的25種車輛荷載的重量、軸位和出現(xiàn)的頻率，其中習(xí)慣把4A-H類車輛作為疲勞荷載的車輛模型，通常被定義為標(biāo)準(zhǔn)疲勞車。如圖4a所示，該疲勞荷載車輛總重為320 kN，每個(gè)軸重為80 kN，左右相鄰軸間距為1 800 mm，中間軸距為6 000 mm。

圖4 英國(guó)公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛模型(單位：mm)

圖4a中任意一個(gè)軸上都分配有4個(gè)車輪(左右各兩個(gè))，因此平均到每個(gè)輪子上的重量為20 kN。圖4b中相鄰輪子間距為100 mm，中間輪距為1 800 mm，對(duì)應(yīng)每個(gè)輪子實(shí)際與橋面板的接觸面積為200×200 mm。若每個(gè)輪子上的作用力為20 kN，可求出單位面積上的均布荷載為0.5 MPa。

由于在實(shí)際計(jì)算分析時(shí)僅僅建立了四分之一鋼箱梁有限元模型，所以整輛疲勞車在實(shí)際模型上的車輪有4個(gè)，在模型上的加載分布情況見圖5。圖5中的4個(gè)小正方形部位承受均布荷載0.5 MPa，加載部位幾何尺寸和位置參照?qǐng)D4布置。文中未考慮汽車的沖擊效應(yīng)，僅進(jìn)行了靜力加載條件下的分析計(jì)算。

圖5 實(shí)際模型加載示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

現(xiàn)有的研究成果中關(guān)于疲勞壽命預(yù)測(cè)評(píng)估的模型有很多種，如基于應(yīng)力的計(jì)算模型、基于應(yīng)變的計(jì)算模型、基于能量的應(yīng)變模型等。在鋼箱梁疲勞設(shè)計(jì)中，通?；趹?yīng)力計(jì)算模型來進(jìn)行計(jì)算，最大主應(yīng)力準(zhǔn)則是較常用裂紋起始準(zhǔn)則。

計(jì)算完成后提取計(jì)算結(jié)果。分析可知，U肋與橫隔板連接處缺口的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在支座處，其原因是由于車輪的加載位置靠近支座，以及與支座處的約束較大有關(guān)。圖6給出了兩種不同缺口模型的應(yīng)力云圖。從圖中可以很清晰地看出圓弧形缺口由于其本身存在幾何上的不規(guī)則(存在尖角)，致使其在焊趾處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在橫隔板的尖角位置，同時(shí)該處也是實(shí)際結(jié)構(gòu)中容易產(chǎn)生疲勞裂紋的部位；常用的蘋果型缺口模型整體水平應(yīng)力分布比較均勻，缺口處的最大應(yīng)力發(fā)生在缺口上部圓弧的中間位置，將應(yīng)力集中位置成功轉(zhuǎn)移，從而遠(yuǎn)離了易發(fā)生疲勞的焊趾處。應(yīng)力云圖中二者的最大主應(yīng)力出現(xiàn)的位置和數(shù)值也不相同。

圖6 不同缺口模型應(yīng)力云圖

提取蘋果形缺口的起始和終端處圓弧中心以及焊趾處的最大主應(yīng)力并繪制成圖，見圖7a。其中橫坐標(biāo)從1～7對(duì)應(yīng)應(yīng)力云圖中的位置編號(hào)。沿鋼橋橫向從跨中到外側(cè)蘋果形缺口對(duì)應(yīng)位置的圓弧處最大主應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，在第三和第五個(gè)點(diǎn)處的波動(dòng)是由于靠近加載車輪位置所引起。焊趾處的最大主應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定，并且相比于圓弧處的主應(yīng)力較小，說明這種構(gòu)造形式將應(yīng)力集中位置進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。

圖7b對(duì)比了蘋果形缺口和圓弧形缺口焊趾處的最大主應(yīng)力，可以發(fā)現(xiàn)弧形缺口和蘋果形缺口在同一位置處最大主應(yīng)力在數(shù)值上差距不是很大，但圓弧形缺口對(duì)于加載位置比較敏感，同樣在靠近加載位置的觀測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力數(shù)值有較大波動(dòng)?？梢姡瑢?shí)際工程中蘋果形缺口更具有實(shí)用優(yōu)勢(shì)。

圖7 最大主應(yīng)力隨位置變化曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)不同缺口的U肋與橫隔板構(gòu)造細(xì)節(jié)模型進(jìn)行有限元分析，考慮實(shí)際疲勞荷載加載模式，通過對(duì)應(yīng)力云圖和所關(guān)注位置最大主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析后，可得出以下結(jié)論:

(1)U肋與橫隔板連接處采用蘋果形缺口形式可以較好地將應(yīng)力的最大值位置進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而避開了容易疲勞起裂的焊趾處；另外使得橫隔板其平面上的受力更加均勻，減小應(yīng)力集中。

(2)圓弧形缺口在焊趾處更容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，并且對(duì)于加載位置更為敏感，使得其最大主應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)。

(3)在實(shí)際鋼橋疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)疲勞細(xì)節(jié)的幾何特征，相關(guān)計(jì)算方法和結(jié)論可進(jìn)一步指導(dǎo)鋼箱梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造過程。