周 維，于浩楠

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引 言

由頂板、縱肋和橫隔板等板件相互焊接連接而構(gòu)成的正交異性鋼橋面板具有自重輕、承載能力高等突出優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，鋼橋面板結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)基本能夠滿足靜載下設(shè)計(jì)強(qiáng)度的需要。但是，由于鋼橋面板各構(gòu)造細(xì)節(jié)幾何構(gòu)型不連續(xù)，局部輪載下應(yīng)力集中較為突出，輪載的加、卸載作用造成構(gòu)造細(xì)節(jié)出現(xiàn)較高的疲勞應(yīng)力幅，同時(shí)隨著疲勞損傷的不斷累積，致使實(shí)橋中出現(xiàn)了一系列疲勞開裂現(xiàn)象。張清華等[1]研究表明：縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細(xì)節(jié)和頂板與縱肋構(gòu)造細(xì)節(jié)（簡稱為板- 肋接頭）是鋼橋面板最容易產(chǎn)生疲勞裂紋的2 個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)，是當(dāng)前鋼橋疲勞研究的熱點(diǎn)。

板- 肋接頭直接承受局部輪載作用，其焊縫處一旦出現(xiàn)疲勞裂紋，易裂穿頂板，形成貫穿型裂紋，威脅行車安全。同時(shí)，裂紋萌生于焊根部位，沿頂板厚度方向擴(kuò)展的開裂模式將造成縱肋銹蝕，影響結(jié)構(gòu)耐久性。因此，與縱肋與橫隔板交叉構(gòu)造細(xì)節(jié)相比，板-肋接頭危害性更為突出。本文以工程中實(shí)際應(yīng)用的鋼橋面板-肋單面焊和雙面焊焊接接頭為研究對(duì)象，利用Ansys 有限元軟件，通過對(duì)3 跨5 縱肋模型的變形分析，得到了簡化的節(jié)段疲勞模型，并在此基礎(chǔ)上，分析了頂板厚度參數(shù)對(duì)鋼橋面板- 肋接頭疲勞應(yīng)力的影響。

1 研究對(duì)象

正交異性鋼橋面板由多個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)組成。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析[1]，板- 肋焊接接頭疲勞開裂比例占所有構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞開裂的30.2%。因此鋼橋面板-肋焊接接頭疲勞開裂是鋼橋面板的重要構(gòu)造細(xì)節(jié)之一。對(duì)于該細(xì)節(jié)而言，國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的是傳統(tǒng)單面焊焊接接頭。有關(guān)學(xué)者對(duì)該接頭形式研究較多，包括近年來已在武漢沌口長江大橋和湖北石首長江公路大橋得到實(shí)際應(yīng)用的板-肋雙面焊焊接接頭[2]。本文以板-肋單面焊焊接接頭和雙面焊焊接接頭為研究對(duì)象，對(duì)該細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力進(jìn)行分析。

正交異性鋼橋面板-肋焊接接頭見圖1。雙面焊焊接接頭尺寸參數(shù)與文獻(xiàn)[2]一致，單面焊焊接接頭尺寸參數(shù)與雙面焊外側(cè)焊縫尺寸參數(shù)一致，且滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）的相關(guān)規(guī)定，外側(cè)焊縫熔透率取80%。

圖1 正交異性鋼橋面板- 肋焊接接頭

2 簡化節(jié)段疲勞有限元模型

2.1 節(jié)段幾何模型

鋼橋面板在汽車輪載作用下具有顯著的局部效應(yīng)，疲勞應(yīng)力主要由第二體系組成，因此，在進(jìn)行鋼橋面板疲勞應(yīng)力分析時(shí)，只需建立行車道范圍內(nèi)的節(jié)段模型。對(duì)于板-肋焊接接頭而言，有關(guān)文獻(xiàn)大多取3 跨7 縱肋或3 跨5 縱肋節(jié)段模型進(jìn)行分析，并未對(duì)該模型進(jìn)行簡化。本文以某斜拉橋鋼橋面板為工程背景，選取3 跨5 縱肋節(jié)段幾何模型進(jìn)行分析，輪載選取歐洲規(guī)范（Eurocode 3）[3]（以下簡稱歐規(guī)）標(biāo)準(zhǔn)疲勞車進(jìn)行加載，單輪尺寸為400 mm×400 mm，節(jié)段幾何模型尺寸與加載位置見圖2。其中所關(guān)注的板- 肋焊接接頭位于第2 跨中間U 肋位置，橫隔板開孔形式采用武漢青山公路大橋開孔形式[4]。

圖2 節(jié)段幾何模型尺寸與加載位置（單位：mm）

2.2 簡化節(jié)段模型

模型約束按照實(shí)際進(jìn)行考慮，即底板約束豎向位移，以模擬周圍節(jié)段的豎向支承作用；頂板橫橋向兩側(cè)均約束橫橋向位移，以模擬周圍頂板對(duì)所選取的節(jié)段模型的橫向約束作用；縱向一端約束頂板和縱肋的縱向位移，另一端不約束，以模擬所選取的節(jié)段模型作為主梁一部分，符合縱橋向能夠伸縮變形的特征。本文所選取的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車單輪荷載為60 kN。為探究輪載位置對(duì)鋼橋面板- 肋焊接接頭疲勞應(yīng)力的影響，選取2 個(gè)工況進(jìn)行分析。工況1：輪載作用在第2 跨中間縱肋焊接接頭正上方；工況2：輪載作用在第3 跨中間縱肋焊接接頭正上方。

采用Solid45 六面體實(shí)體單元對(duì)頂板、縱肋、橫隔板和底板進(jìn)行離散化，并在板- 肋焊接接頭處進(jìn)行網(wǎng)格加密，得到節(jié)段有限元模型。2 種加載工況下，節(jié)段有限元模型豎向變形示意見圖3。計(jì)算結(jié)果表明：（1）輪載作用下鋼橋面板變形具有顯著的局部效應(yīng)，相鄰跨結(jié)構(gòu)對(duì)加載跨具有一定的卸載作用；（2）從變形特征來看，5 縱肋范圍的模型尺度偏大，變形的影響區(qū)域主要在加載范圍內(nèi)的2 條縱肋上，因此可選取3 跨2 縱肋簡化節(jié)段模型進(jìn)行替代。

圖3 2 種加載工況下節(jié)段有限元模型豎向變形示意

簡化節(jié)段有限元模型橫斷面見圖4，其中模型立面圖與圖2（a）相同。

圖4 簡化節(jié)段有限元模型橫斷面圖（單位：mm）

3 計(jì)算分析

3.1 簡化節(jié)段有限元模型應(yīng)力特征

根據(jù)圖4 中的尺寸參數(shù)，所建立的簡化節(jié)段有限元模型見圖5。

圖5 簡化節(jié)段有限元模型

針對(duì)關(guān)注位置，分別分析鋼橋面板- 肋單面焊和雙面焊焊接接頭應(yīng)力特征，2 種接頭網(wǎng)格和關(guān)注點(diǎn)位置見圖6。由于單面焊焊根位置為裂紋開裂部位，因此以該位置為關(guān)注位置；雙面焊內(nèi)側(cè)焊趾和外側(cè)焊趾位置均為裂紋開裂部位，因此以上述2 個(gè)位置為關(guān)注位置。

圖6 板- 肋焊接接頭網(wǎng)格和應(yīng)力關(guān)注位置

為真實(shí)反映關(guān)注位置的應(yīng)力水平，輪載橫向位置為圖4 所示位置，然后縱向沿3 跨縱肋模型進(jìn)行移動(dòng)加載。由圖3 可知，歐規(guī)疲勞車輪載作用下橋面板變形是局部的，疲勞車橫向輪距為2.0 m，超出局部影響范圍，縱向1.2 m 輪距在影響范圍內(nèi)，因此采用單側(cè)前后輪進(jìn)行移動(dòng)加載。該模型頂板厚度為16 mm，分析得到單面焊和雙面焊關(guān)注位置應(yīng)力歷程（見圖7），其中橫坐標(biāo)指單側(cè)前后輪中間位置相對(duì)關(guān)注位置的縱向距離。

圖7 單面焊和雙面焊板- 肋接頭縱向應(yīng)力歷程

研究表明：（1）當(dāng)輪載通過關(guān)注位置時(shí)，主應(yīng)力數(shù)值達(dá)到極值，單面焊焊根處σ3變化較大，即主壓應(yīng)力幅較大，最大應(yīng)力幅為51.8 MPa，主壓應(yīng)力是焊根處的代表應(yīng)力。雙面焊內(nèi)側(cè)焊趾和外側(cè)焊趾處σ3同樣變化較大，分別為41.5 MPa 和55.0 MPa，主壓應(yīng)力也是雙面焊內(nèi)側(cè)焊趾和外側(cè)焊趾處的代表應(yīng)力。（2）對(duì)于本文所選取的雙面焊構(gòu)造細(xì)節(jié)而言，外側(cè)頂板焊趾更容易開裂，其應(yīng)力幅與單面焊較為接近。

3.2 頂板厚度參數(shù)分析

頂板厚度是鋼橋面板構(gòu)造設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，該數(shù)值不僅對(duì)靜力強(qiáng)度起關(guān)鍵作用，重要的是，作為車輪直接作用的板件，其厚度直接影響鋼橋面板- 肋焊接接頭的疲勞性能。行車道區(qū)域頂板厚度往往不低于14 mm（《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）），本文結(jié)合上述16 mm 鋼橋面板模型，進(jìn)一步分析了單面焊和雙面焊- 肋焊接接頭14 mm 和18 mm 頂板厚度參數(shù)對(duì)疲勞應(yīng)力幅的影響。

不同頂板厚度參數(shù)下，鋼橋面板單面焊和雙面焊板- 肋焊接接頭關(guān)注應(yīng)力點(diǎn)的主壓應(yīng)力歷程見圖8。

圖8 不同頂板厚度下單面焊和雙面焊板- 肋焊接接頭主壓應(yīng)力歷程

研究表明：（1）頂板厚度為14 mm 時(shí)，單面焊焊根處應(yīng)力幅達(dá)到70.8 MPa，雙面焊外側(cè)焊趾處應(yīng)力幅達(dá)到77.8 MPa，均接近或超過歐規(guī)中疲勞強(qiáng)度（71 MPa）要求[3]，在本文所選取的焊縫尺寸下，該頂板厚度參數(shù)不利于工程應(yīng)用。（2）頂板厚度參數(shù)對(duì)鋼橋面板單面焊和雙面焊這2 類板- 肋焊接接頭疲勞應(yīng)力幅的影響均較為明顯。頂板厚度為16 mm 和18 mm 時(shí)疲勞應(yīng)力幅相對(duì)較小，其中18 mm 的頂板厚度富裕度較大，建議重載交通橋梁可應(yīng)用18 mm 的頂板厚度參數(shù)，以減小疲勞損傷。

4 結(jié) 論

（1）基于Ansys 有限元軟件，通過對(duì)鋼橋面板變形特征分析，得到了應(yīng)用于板- 肋焊接接頭疲勞分析的簡化節(jié)段模型。

（2）在歐規(guī)疲勞車作用下，鋼橋面板單面焊和雙面焊這2 類板- 肋焊接接頭的主壓應(yīng)力幅較大，雙面焊外側(cè)焊趾主壓應(yīng)力幅大于內(nèi)側(cè)焊趾。

（3） 頂板厚度對(duì)鋼橋面板單面焊和雙面焊這2類板- 肋焊接接頭的主壓應(yīng)力幅影響較大，頂板厚度為14 mm 時(shí)，主壓應(yīng)力幅接近或超過該細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)交通信息，選擇16 mm 或18 mm的板厚參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。