周 維,于浩楠
(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,四川 成都 610081)
近年來(lái),能夠智能化制造,具有輕質(zhì)高強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的正交異性鋼橋面板在橋梁建設(shè),尤其是在如蘇通長(zhǎng)江大橋、武漢青山長(zhǎng)江大橋和港珠澳大橋等大跨徑橋梁的建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。
正交異性鋼橋面板由頂板、縱肋和橫隔板三者相互焊接而成,然后將其整體焊接于主梁腹板頂部,作為主梁一部分承受軸力和彎矩作用。正交異性鋼橋面板本身縱向支承于橫隔板上,頂板和縱肋呈現(xiàn)第二體系多點(diǎn)支承連續(xù)梁受力特征。在縱橫向輪載作用下,由于橋面板各板件相互焊接,幾何構(gòu)型復(fù)雜,局部應(yīng)力突出,既有文獻(xiàn)研究表明,鋼橋面板疲勞問(wèn)題主要受第二體系影響,且疲勞應(yīng)力具有顯著的局部性特征[1]。
鋼橋面板由多個(gè)疲勞易損細(xì)節(jié)組成。參考相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[1],縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞開(kāi)裂占所有開(kāi)裂中的38.2%,是鋼橋面板開(kāi)裂比例最高的疲勞易損細(xì)節(jié)??v肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)具有多種疲勞開(kāi)裂模式,其中裂紋萌生于縱肋圍焊焊趾處的疲勞失效模式容易裂穿縱肋,形成貫穿型裂紋后,迅速沿著縱肋厚度向頂板方向發(fā)展,威脅行車安全和結(jié)構(gòu)的耐久性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼橋面板縱肋與頂板焊接細(xì)節(jié)研究較多,而針對(duì)縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)缺少較為系統(tǒng)的研究。本文以某斜拉橋鋼橋面板為研究背景,采用有限元數(shù)值模擬方法,在所選取疲勞節(jié)段模型的基礎(chǔ)上,對(duì)縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力幅進(jìn)行研究,以期提高對(duì)鋼橋面板疲勞問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。
鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)的疲勞失效模式見(jiàn)圖1,該細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)3 種疲勞失效模式:
圖1 縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞失效模式
失效模式Ⅰ:裂紋萌生于圍焊縱肋焊趾,沿縱肋腹板擴(kuò)展。
失效模式Ⅱ:裂紋萌生于圍焊橫隔板焊趾,沿橫隔板擴(kuò)展。
失效模式Ⅲ:裂紋萌生于橫隔板開(kāi)孔,沿橫隔板擴(kuò)展。
以某斜拉橋橋面板為研究背景,主要參數(shù):頂板厚度為16 mm,縱肋高×上口寬×厚度為300 mm×300 mm ×8 mm,橫隔板厚度為14 mm,橫隔板間距為3 m,縱肋與橫隔板圍焊焊腳尺寸為8 mm;鋼材采用Q 345qD,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3。參考文獻(xiàn)[2-3],橫向取3 個(gè)縱肋長(zhǎng)度、縱向取3 個(gè)橫隔板間距的節(jié)段模型能夠反映縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)的實(shí)際受力狀態(tài)。本文所選取的節(jié)段模型幾何尺寸見(jiàn)圖2。
圖2 節(jié)段模型幾何參數(shù)(單位:mm)
縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)尺寸與應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)見(jiàn)圖3。圖3 中,應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)1 位于縱肋圍焊焊趾處;應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)2 位于橫隔板圍焊焊趾處;應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)3 位于橫隔板開(kāi)孔半徑為25 mm 的圓弧中點(diǎn)處;應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)4 位于橫隔板開(kāi)孔半徑為25 cm 和73 cm 的圓弧相切處;應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)5 位于橫隔板開(kāi)孔半徑為73 mm的圓弧中點(diǎn)處。疲勞失效模式Ⅰ對(duì)應(yīng)應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)1,疲勞失效模式Ⅱ?qū)?yīng)應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)2,疲勞失效模式Ⅲ對(duì)應(yīng)應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)3、4、5。
圖3 縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)尺寸與應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)(單位:mm)
參考?xì)W洲規(guī)范(Eurocode 3)[4](簡(jiǎn)稱歐規(guī)),本文所選取的疲勞車車輪信息見(jiàn)圖4。圖4 中,單個(gè)輪載為60 kN,尺寸為40 cm×40 cm,w 為車輛橫向輪廓長(zhǎng)度。研究表明,疲勞車輪載作用下,鋼橋面板疲勞應(yīng)力影響范圍較小,可采用單側(cè)前后輪進(jìn)行加載,因此本文考慮的疲勞車荷載情況為單側(cè)前后輪荷載。
圖4 疲勞車信息(單位:cm)
利用ANSYS 有限元軟件,對(duì)疲勞節(jié)段模型頂板、縱肋和隔板進(jìn)行離散化,得到本文所分析的有限元模型(見(jiàn)圖5)。
圖5 有限元模型
圖5 中,對(duì)縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)子模型進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,單元類型為solid95,模型其余部分采用solid45 單元。本文所關(guān)注的縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)位于中間縱肋(U 2)與中間橫隔板相交處靠近縱肋(U 3)方向的橫隔板開(kāi)孔位置。橫向采用3 種加載工況進(jìn)行考慮[5],工況1:輪載位于縱肋(U 2)正上方;工況2:輪載騎跨在縱肋(U 2)上;工況3:輪載位于縱肋(U 2)與縱肋(U 3)之間。為方便計(jì)算,采用單輪加載形式,圖4 所示單側(cè)前后輪計(jì)算結(jié)果通過(guò)單輪應(yīng)力影響線疊加得到。縱向加載時(shí),加載范圍從第1 跨左側(cè)橫隔板正上方開(kāi)始,每100 mm 為1 個(gè)加載步長(zhǎng)進(jìn)行移動(dòng)加載,直至第2 跨右側(cè)橫隔板正上方位置結(jié)束。
模型約束條件如下:模型橫向兩側(cè)均約束橫向位移(即X 方向),豎向約束底板豎向位移(即Y 方向),縱向一側(cè)約束頂板和縱肋的縱向位移(即Z 方向),以模擬所選取的節(jié)段模型受到的周圍梁體支承作用。
在缺少對(duì)縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)應(yīng)力特點(diǎn)深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,針對(duì)所關(guān)注的5 個(gè)應(yīng)力關(guān)注點(diǎn),分別提取各位置的第1 主應(yīng)力σ1、第2 主應(yīng)力σ2和第3主應(yīng)力σ3數(shù)據(jù),通過(guò)比較主應(yīng)力數(shù)值大小,首先確定應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)疲勞應(yīng)力幅由何種主應(yīng)力控制,然后再進(jìn)一步分析各應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力幅的大小,以確定該細(xì)節(jié)最大疲勞應(yīng)力幅。所關(guān)注的5 個(gè)應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)主應(yīng)力縱向應(yīng)力歷程見(jiàn)圖6,其中橫坐標(biāo)表示單側(cè)前后輪應(yīng)力疊加后,前后輪中心位置(見(jiàn)圖4)相對(duì)中間橫隔板的距離。
圖6 各應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)縱向應(yīng)力歷程曲線
研究表明:(1)各應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)在工況2 作用下,其疲勞應(yīng)力幅最大,因此工況2 是縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)最不利加載工況;(2)應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)1、2 受主拉應(yīng)力幅控制,應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)3、4、5 受主壓應(yīng)力幅控制;(3)圍焊縱肋焊趾(應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)1)疲勞應(yīng)力幅為83.6 MPa,圍焊橫隔板焊趾(應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)2)疲勞應(yīng)力幅為67.0 MPa,橫隔板開(kāi)孔圓弧處(應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)3、4、5)疲勞應(yīng)力幅為120.2 MPa,小半徑圓弧中心處達(dá)到最大值;(4)各應(yīng)力關(guān)注點(diǎn)在單側(cè)前后輪中心點(diǎn)作用于橫隔板正上方時(shí)均達(dá)到應(yīng)力峰值。
(1)鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)不同位置的應(yīng)力特征差別較大,圍焊處疲勞應(yīng)力幅受主拉應(yīng)力控制,橫隔板開(kāi)孔處受主壓應(yīng)力控制。
(2)在歐規(guī)疲勞車荷載作用下,所選取的疲勞節(jié)段模型中,圍焊縱肋焊趾疲勞應(yīng)力幅為83.6 MPa,圍焊橫隔板焊趾疲勞應(yīng)力幅為67.0 MPa,橫隔板圓弧開(kāi)孔疲勞應(yīng)力幅為120.2 MPa。