樊星辰

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

鋼橋具有跨越能力強(qiáng)、施工周期短、易安裝、構(gòu)件檢視維修更換等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用在大跨徑跨江、跨海及市政工程建設(shè)中。而在運(yùn)營(yíng)期間，鋼橋在汽車(chē)、風(fēng)等外界荷載長(zhǎng)期反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞損傷。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼橋疲勞問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，取得了一定成果，但仍有不足。例如，我國(guó)規(guī)范未考慮疲勞車(chē)輛荷載多車(chē)效應(yīng)和沖擊效應(yīng)，鋼板厚度對(duì)于疲勞壽命影響等研究較少等等。針對(duì)以上不足，本文基于我國(guó)現(xiàn)行《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中的修正S-N曲線(xiàn)，以(45+70+45)m鋼箱梁橋?yàn)槔?，通過(guò)建立高效率的局部精細(xì)化有限元模型，對(duì)該橋進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，同時(shí)分析局部板厚對(duì)疲勞壽命的影響。

1 疲勞車(chē)輛荷載

疲勞荷載包括車(chē)輛荷載、人群荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等，運(yùn)營(yíng)期間車(chē)輛荷載占主導(dǎo)，因此，疲勞壽命評(píng)估的第一步就是確定車(chē)輛荷載模型。通常確定疲勞車(chē)輛模型的方法主要有調(diào)查統(tǒng)計(jì)法和規(guī)范法，如表1所示。

表1 疲勞車(chē)輛荷載方法及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由于實(shí)橋交通數(shù)據(jù)獲取難度大，同時(shí)兼顧工程設(shè)計(jì)的普適應(yīng)，本例參考我國(guó)現(xiàn)行《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，選擇疲勞荷載計(jì)算模型III作為標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)荷載模型。該模型采用單車(chē)模型，模型軸載及分布規(guī)定，如圖1所示。

圖1 我國(guó)公路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)輛模型III

2 沖擊作用及多車(chē)效應(yīng)

我國(guó)現(xiàn)行橋梁規(guī)范未考慮疲勞車(chē)輛的沖擊作用對(duì)于疲勞壽命的影響。而橋梁運(yùn)營(yíng)期間，汽車(chē)行駛在橋面會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而增加汽車(chē)荷載的作用效應(yīng)，在對(duì)橋梁進(jìn)行疲勞評(píng)估時(shí)，這部分增大效應(yīng)不可忽略。本文借鑒美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范AASHTO規(guī)范中沖擊系數(shù)取0.15。

正常運(yùn)營(yíng)中，橋梁不可避免存在多車(chē)同時(shí)行駛在一聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)的情況，從而產(chǎn)生相對(duì)單車(chē)荷載增大的內(nèi)力效應(yīng)，加速疲勞細(xì)節(jié)處的破壞。因此，在疲勞壽命評(píng)估時(shí)也不應(yīng)忽視多車(chē)效應(yīng)的影響。我國(guó)現(xiàn)行鋼橋規(guī)范僅對(duì)疲勞荷載模型II雙車(chē)模型的布置距離做上限要求，但實(shí)際使用不便且無(wú)法統(tǒng)一。本文參考英國(guó)BS5400規(guī)范，采用修正系數(shù)法確定多車(chē)效應(yīng)的增大系數(shù)，如圖2所示。本例中橋梁最大跨徑為70 m。按最不利情況對(duì)應(yīng)的多車(chē)道修正系數(shù)K=1.3。

圖2 多車(chē)道效應(yīng)修正系數(shù)圖中：y-同一車(chē)道上作用有多輛疲勞車(chē)時(shí)的修正系數(shù)；z-不同車(chē)道上作用有多輛疲勞車(chē)時(shí)產(chǎn)生同一符號(hào)應(yīng)力情況下的修正系數(shù)；K-疲勞車(chē)在不同車(chē)道上單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力之比。

3 基于疲勞壽命研究基本方法

目前有關(guān)疲勞壽命研究的方法有基于S-N曲線(xiàn)和米勒線(xiàn)性累計(jì)損傷準(zhǔn)則的傳統(tǒng)評(píng)估法、斷裂力學(xué)理論評(píng)估法、損傷力學(xué)理論評(píng)估法以及基于可靠度理論評(píng)估法等方法，如表2所示。

表2 疲勞壽命研究方法及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

結(jié)合以上優(yōu)缺點(diǎn)分析，本文采用傳統(tǒng)評(píng)估法對(duì)橋梁進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。

4 疲勞壽命曲線(xiàn)

疲勞壽命曲線(xiàn)，即S-N曲線(xiàn)，也稱(chēng)為wohler曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)以疲勞壽命N為橫坐標(biāo)，△σ為縱坐標(biāo)，建立疲勞荷載和疲勞壽命之間關(guān)系。本文在對(duì)比國(guó)內(nèi)外規(guī)范的疲勞強(qiáng)度曲線(xiàn)后選擇我國(guó)規(guī)范修正的S-N曲線(xiàn)作為本次評(píng)估的疲勞壽命曲線(xiàn)，對(duì)比選擇的技術(shù)路線(xiàn)如圖3所示。

圖3 基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范的疲勞壽命曲線(xiàn)分析選擇技術(shù)路線(xiàn)圖

5 基于有限元模型的鋼橋疲勞壽命計(jì)算

使用有限元分析軟件Midas FEA建立多尺度局部精細(xì)化鋼箱梁橋有限元模型，如圖4所示。該橋中跨跨中三分之一段為2D板殼單元，其余部分為梁?jiǎn)卧煌瑔卧ㄟ^(guò)附近節(jié)點(diǎn)形成剛性連接。通過(guò)局部精細(xì)化模型計(jì)算分析，重點(diǎn)研究中跨跨中區(qū)域疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞壽命。參考國(guó)內(nèi)學(xué)者研究成果，選擇疲勞細(xì)節(jié)部位為橫隔板與U肋連接處，如圖5所示。

圖4 局部精細(xì)化有限元模型

圖5 鋼箱梁橋跨中處疲勞細(xì)節(jié)示意圖

通過(guò)施加節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載，完成時(shí)程分析，得到應(yīng)變隨時(shí)程的結(jié)果后與靜力加載條件下應(yīng)變結(jié)果求比值，可繪出橫隔板與U肋連接處應(yīng)力歷程，如圖6所示。

圖6 橫隔板與U肋連接處應(yīng)力時(shí)程圖

根據(jù)本文前節(jié)所述，參考我國(guó)現(xiàn)行鋼橋規(guī)范中疲勞荷載計(jì)算模型III，分別(1)傳統(tǒng)S-N曲線(xiàn)；(2)我國(guó)規(guī)范修正的S-N曲線(xiàn)并考慮沖擊和多車(chē)效應(yīng)兩種控制工況，對(duì)橋梁細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，結(jié)果如表3，圖7所示。

表3 不同工況下疲勞壽命分析結(jié)果

圖7 考慮沖擊作用和多車(chē)效應(yīng)的疲勞壽命分析結(jié)果

研究考慮沖擊及多車(chē)效應(yīng)后不同鋼板厚度對(duì)于疲勞壽命影響。通過(guò)控制不同板厚參數(shù)，得到該橋控制點(diǎn)處疲勞壽命如表4所示。

由表4分析結(jié)果表明：(1)采用我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范修正的S-N曲線(xiàn)并考慮沖擊和多車(chē)效應(yīng)對(duì)鋼箱梁細(xì)節(jié)處疲勞壽命評(píng)估是僅考慮傳統(tǒng)S-N曲線(xiàn)結(jié)果的0.8倍；說(shuō)明僅采用修正的S-N曲線(xiàn)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估偏不安全；(2)增大評(píng)估細(xì)節(jié)處的板厚會(huì)提高6%的疲勞壽命，而增大相接觸加勁肋板厚僅提高1%疲勞壽命。

表4 不同控制參數(shù)(板厚)疲勞壽命分析結(jié)果

6 結(jié) 論

本文參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)疲勞壽命評(píng)估的研究及現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)比分析了疲勞壽命方法、疲勞壽命曲線(xiàn)等評(píng)估過(guò)程相關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)。以(45+70+45)m鋼箱梁橋?yàn)槔?，建立Midas FEA局部精細(xì)化模型，通過(guò)控制參數(shù)改變，對(duì)細(xì)節(jié)處進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估對(duì)比。分析可知，采用我國(guó)規(guī)范修正的S-N曲線(xiàn)并考慮多車(chē)效應(yīng)和沖擊效應(yīng)的疲勞壽命評(píng)估偏安全，具有一定工程意義；適當(dāng)增大板材厚度是提高疲勞壽命的簡(jiǎn)單有效方法。