韋榮彬

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507）

0 引言

該文以沙某河大橋鋼箱梁主梁為例，通過(guò)有限元軟件ANSYS12.0對(duì)鋼箱梁橋面板疲勞問(wèn)題進(jìn)行仿真模擬分析。通過(guò)建立模型，分析在不同車輪輪位變化情況下，鋼箱梁橋面板頂板U肋疲勞細(xì)節(jié)處應(yīng)力情況，得出疲勞最不利點(diǎn)，為設(shè)計(jì)、施工提供一定的指導(dǎo)性作用。

1 結(jié)構(gòu)與材料

該文工程實(shí)例為沙某河大橋，橋型圖如圖1。主橋主梁為直腹板鋼箱連續(xù)梁，雙幅變截面。鋼箱梁頂板厚16 mm，在墩頂位置處變化為18 mm、20 mm，頂板U肋厚8 m，U肋中心距為600 mm，U肋高度為280 mm，U肋上端寬度為300 mm，箱梁順橋向每隔2.5 m設(shè)置一道橫隔板，箱梁腹板厚度為16～24 mm，梁高為2.3～4 m。頂板U肋的構(gòu)造如圖2所示。

圖1 沙某河大橋

圖2 頂板U肋

2 計(jì)算理論

2.1 基本原理

正交異性鋼橋面板，即各向異性垂直方向上采用不同形式的肋進(jìn)行加勁，使得加勁板整體的力學(xué)性能在各方向獲得最佳性能。輪軸荷載是正交異性鋼橋面板主要承受的荷載，同時(shí)也是鋼梁的上翼緣，參與鋼梁整體受力[1-2]。為了了解正交異性鋼橋面板的受力，人為地將其分成了3個(gè)基本體系：第一體系為全橋體系，橋面作為箱梁的上翼緣的一部分，參與全橋受力；第二體系為橫肋支承在箱梁腹板（節(jié)點(diǎn)）上所形成的橋面體系，承受橋面局部車輪荷載；第三體系為頂板體系，頂板剛性連接（橫向支承）在縱肋腹板上端上，承受橋面局部車輪荷載。

車輪荷載的反復(fù)作用直接由橋面板承擔(dān)，加上焊接節(jié)點(diǎn)不可避免的焊接缺陷或者應(yīng)力集中，使得橋面板結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

2.2 疲勞細(xì)節(jié)及其疲勞強(qiáng)度

從《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[3]附錄C中表C.0.8可查得：正交異性鋼橋面板閉口加勁肋縱肋通過(guò)橫梁，縱肋下方挖孔，橫隔板厚度t≤12 mm時(shí)（如圖3所示），上焊縫下端位置處的疲勞細(xì)節(jié)類別Δσc=80，該細(xì)節(jié)定義為疲勞細(xì)節(jié)1。

圖3 疲勞細(xì)節(jié)1

蓋板與梯形加勁肋的連接焊縫當(dāng)屬于部分熔透，且a≥t時(shí)，疲勞細(xì)節(jié)類別Δσc=70，該細(xì)節(jié)定義為疲勞細(xì)節(jié)2。驗(yàn)算板內(nèi)彎曲引起的正應(yīng)力幅Δσ。

圖4 疲勞細(xì)節(jié)2

2.3 疲勞荷載計(jì)算模型

查《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）可知，橋面系構(gòu)件驗(yàn)算疲勞應(yīng)采用單車模型的計(jì)算模型Ⅲ。

采用疲勞荷載模型Ⅲ計(jì)算正交異性鋼橋面板疲勞應(yīng)力時(shí)，加載區(qū)域遵循《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5.7條進(jìn)行布置。

2.4 交通量分析及疲勞損傷系數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料，查得該橋交通量為22 014 pcu/日。

該工程實(shí)例所在道路：

Ny（計(jì)算車道的年總交通量）=22 014×365

=8 035 110

Nly（主車道的重車年交通量）=0.95pNy/j

=0.95×0.8×8 035 110/1=6 106 684

p（重車在總交通量中所占的比率）=80%

j（上慢車道與主車道數(shù)量和）=1

Q0（疲勞荷載模型車總重）=480 kN

查《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D 第D.0.2條可以算得交通流量系數(shù)為：

2.5 其他損傷等效系數(shù)分析

γ1為損傷效應(yīng)系數(shù)，按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）附錄D中的圖D.0.1-1取值：

該項(xiàng)目取L=92 m，L已經(jīng)大于80 m，按80 m計(jì)算，得到：γ1=2.55-0.01*（L-10）=1.85。

設(shè)計(jì)壽命影響系數(shù)，按下式計(jì)算：

多車道效應(yīng)系數(shù)γ4=1。

2.6 疲勞驗(yàn)算公式

采用疲勞荷載計(jì)算模型Ⅲ時(shí)，應(yīng)按下列公式驗(yàn)算：

式中，疲勞荷載分項(xiàng)系數(shù)γFf=1.0；疲勞抗力分項(xiàng)系數(shù)γMf=1.15；尺寸效應(yīng)折減系數(shù)ks=1.0；損傷等效系數(shù)γ=γ1*γ2*γ3*γ4≤γmax，（γ1～γ4在上述小節(jié)中已求解），γmax按照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D中圖D.0.5取值，為γmax=2.0，所以，得到：

γ=1.85*1.65*1*1=3.05＞γmax=2.0，因此，取γ=2.0。

在接下來(lái)的章節(jié)中，通過(guò)有限元求解式（1）中的疲勞應(yīng)力幅ΔσE2。

3 有限元建模分析

3.1 橋面板局部有限元模型及加載方式

在車輛荷載作用下引起的全橋體系的應(yīng)力中，鋼橋面板的占比成分很小，并且車輛荷載局部作用的影響范圍也相當(dāng)有限[4]。該文選取局部模型進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 橋面板局部有限元模型

3.2 疲勞細(xì)節(jié)驗(yàn)算

（1）車輪荷載橫橋向移動(dòng)分析。疲勞細(xì)節(jié)1、2從左到右依次編號(hào)為1～26，如圖6所示，車輪荷載從左側(cè)第一個(gè)U肋中心開(kāi)始橫向移動(dòng)共86步，每步間隔0.06 m，依次編號(hào)為1～86。

圖6 橫向加載示意圖及疲勞細(xì)節(jié)編號(hào)（尺寸單位：m）

通過(guò)計(jì)算分析1～26號(hào)疲勞細(xì)節(jié)在上述車輪位的橫向移動(dòng)下的應(yīng)力歷程結(jié)果，得其中最大應(yīng)力發(fā)生在10#橫向車輪位處。

（2）車輪荷載順橋向移動(dòng)分析。以10#橫向車輪位為區(qū)域1，按照?qǐng)D7所示順橋向的加載，車輪荷載縱向移動(dòng)間距為0.2 m每步，共30步，依次編號(hào)為1～30#?？傻?0#點(diǎn)在區(qū)域1～5的應(yīng)力歷程具體數(shù)值見(jiàn)表1。

圖7 車輪荷載順橋向移動(dòng)加載示意圖（尺寸單位：m）

表1 10#車輪位點(diǎn)應(yīng)力歷程表

按照式（1）可得：γFfΔσE2=42.6≤ksΔσc/γMf=80/1.15=69.6，經(jīng)驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求。

3.3 疲勞細(xì)節(jié)2驗(yàn)算

（1）車輪荷載橫橋向移動(dòng)分析。疲勞細(xì)節(jié)2與細(xì)節(jié)1類似，從左到右依次編號(hào)為1～26，如圖6所示，車輪荷載從左側(cè)第一個(gè)U肋中心開(kāi)始橫向移動(dòng)共86步，每步間隔0.06 m，依次編號(hào)為1～86。

分析1～26號(hào)疲勞細(xì)節(jié)在上述車輪位的橫向移動(dòng)下的應(yīng)力歷程，得8#點(diǎn)為最不利點(diǎn)，該處的最大應(yīng)力發(fā)生在28#橫向車輪位處。

（2）車輪荷載順橋向移動(dòng)分析。以28#橫向車輪位為區(qū)域1，進(jìn)行順橋向的加載，車輪荷載縱向移動(dòng)間距為0.2 m每步，共43步，依次編號(hào)為1～30#?？傻迷趨^(qū)域1～5的應(yīng)力歷程具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 28#車輪位點(diǎn)應(yīng)力歷程表

按照式（1）可得：γFfΔσE2= 56.9≤ksΔσc/γMf=70/1.15=60.9，經(jīng)驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求。

驗(yàn)算結(jié)果表明，疲勞細(xì)節(jié)1和疲勞細(xì)節(jié)2的疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。同時(shí)由上述分析結(jié)果可以看出，邊腹板兩側(cè)的焊接節(jié)點(diǎn)為橫向最不利點(diǎn)。其原因是該處橋面板處于剛度突變處，從而導(dǎo)致在車輪荷載作用下，該處附近的焊縫受力更為不利。并且由于在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)階段，重車靠邊行駛，其車輪落在疲勞細(xì)節(jié)1和疲勞細(xì)節(jié)2的橫向最不利輪位的概率會(huì)較大（如圖8所示），所以在設(shè)計(jì)、施工制造過(guò)程中應(yīng)重視邊腹板附近區(qū)域的焊縫焊接質(zhì)量。

圖8 疲勞最不利點(diǎn)區(qū)域示意圖（單位：cm）

4 結(jié)語(yǔ)

該文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)運(yùn)用有限元軟件ANSYS12.0對(duì)鋼箱梁橋面板疲勞問(wèn)題進(jìn)行仿真模擬分析可知，鋼箱梁橋面板頂板U肋疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞最不利點(diǎn)位于邊腹板附近區(qū)域。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，應(yīng)重視邊腹板附近區(qū)域的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中重視焊縫的焊接質(zhì)量。