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

近年來，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)，尤其是在如蘇通長江大橋、武漢青山長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)疲勞開裂占所有開裂中的38.2%，是鋼橋面板開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)鋼橋面板疲勞問題的認(rèn)識(shí)。

1 研究對(duì)象

鋼橋面板縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)的疲勞失效模式見圖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孔，沿橫隔板擴(kuò)展。

2 疲勞節(jié)段模型

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）

3 有限元模型

3.1 疲勞車荷載

參考?xì)W洲規(guī)范（Eurocode 3）[4]（簡稱歐規(guī)），本文所選取的疲勞車車輪信息見圖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）

3.2 有限元模型

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)果通過單輪應(yīng)力影響線疊加得到?？v向加載時(shí)，加載范圍從第1 跨左側(cè)橫隔板正上方開始，每100 mm 為1 個(gè)加載步長進(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。

4 計(jì)算結(jié)果分析

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。

5 結(jié)語

（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，橫隔板圓弧開孔疲勞應(yīng)力幅為120.2 MPa。