鄧 斌

(廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420)

0 引言

鋼橋面板能夠進行工廠化加工制造,同時自重輕,在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用較為廣泛。隨著鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝和檢測手段的不斷提高,鋼橋面板各類焊縫焊接質(zhì)量得到一定的保障,鋼橋面板已成為裝配化和工業(yè)化建造的典型結(jié)構(gòu)。焊縫眾多、板件連接復(fù)雜、外在荷載環(huán)境不確定等因素導(dǎo)致鋼橋面板疲勞問題日益突出,多個連接細節(jié)出現(xiàn)了大量的疲勞裂紋。傳統(tǒng)的應(yīng)變片易老化失效,超聲波和相控陣等裂紋檢測技術(shù)難以量化應(yīng)用,目前尚無有效手段對實橋疲勞裂紋進行全天候、大面積的實時監(jiān)測與檢測,因此,對鋼橋面板疲勞性能進行基礎(chǔ)性研究,是改善焊接接頭幾何構(gòu)造參數(shù)和提高認知的重要手段之一。

面板縱肋連接細節(jié)是鋼橋面板疲勞應(yīng)力的薄弱部位,該細節(jié)一旦發(fā)生疲勞開裂,裂紋發(fā)展至鋪裝層后,橋面雨水易滲入縱肋造成鋼橋面板銹蝕,同時疲勞開裂造成面板剛度降低,不利于行車安全。王春生[1-2]基于模型試驗對鋼橋面板典型的焊接接頭疲勞強度問題進行了研究;周緒紅[3]等基于名義應(yīng)力評估方法對鋼橋面板焊根處的疲勞損傷進行了數(shù)值分析及對比研究;劉益銘[4]等基于斷裂力學評估方法對鋼橋面板典型構(gòu)造細節(jié)疲勞壽命及裂紋擴展特性進行了深入研究;余航[5]等基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力評估方法對鋼橋面板多細節(jié)體系疲勞問題進行了研究;羅鵬軍[6]等基于切口應(yīng)力評估方法對面板縱肋單面焊和新型雙面焊疲勞應(yīng)力進行了對比分析。針對鋼橋面板典型構(gòu)造細節(jié)疲勞評估方法相關(guān)研究中對于疲勞應(yīng)力的取值點存在一定的局限性,熱點應(yīng)力評估方法綜合考慮了裂紋萌生點和焊縫幾何參數(shù)的影響,該評估方法理論體系較為成熟,適用于鋼橋面板縱肋連接細節(jié)的疲勞性能分析?，F(xiàn)行鋼橋設(shè)計規(guī)范中對疲勞應(yīng)力驗算是否考慮鋪裝層的作用缺少相關(guān)描述[7-8],由于鋪裝層材料剛度遠小于頂板,大多研究文獻偏安全不考慮鋪裝的聯(lián)合作用,可能增加橋梁工程造價。

本文結(jié)合熱點應(yīng)力評估方法,考慮鋪裝層的影響對鋼橋面板縱肋疲勞應(yīng)力進行分析,為類似結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計提供參考。

1 面板縱肋連接細節(jié)

鋼橋面板具有多個連接構(gòu)造細節(jié),體系疲勞抗力由多個連接構(gòu)造細節(jié)共同決定,其中,面板縱肋連接細節(jié)尤為重要。目前對該細節(jié)的研究較多,主要基于疲勞抗力、裂紋擴展特性、新型接頭形式等展開,大多忽略了鋪裝層的影響,不能夠全面認識該細節(jié)的疲勞性能。目前鋼橋面板縱肋雙面焊進行了一定的推廣應(yīng)用,疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)的單面焊。本文主要分析雙面焊形式,該細節(jié)如圖1所示。

圖1 鋼橋面板縱肋連接細節(jié)

相關(guān)文獻[6]研究表明:當焊縫熔透率不低于75%時,鋼橋面板縱肋連接細節(jié)具有2種典型的疲勞開裂模式:開裂Ⅰ為裂紋從內(nèi)焊焊趾處起裂,向鋪裝層方向開裂;開裂Ⅱ為裂紋從外側(cè)熔透焊焊趾處起裂,向鋪裝層方向開裂。本文綜合考慮兩種開裂模式的影響。

2 疲勞節(jié)段幾何尺寸

某高速公路大跨徑斜拉橋的主梁采用鋼橋面板形式,面板縱肋采用雙面焊焊接接頭。慢車道面板厚度為18mm,快車道為16mm,其余板件厚度一致。橫隔板間距為2 000mm,縱肋高度為280mm。橫隔板采用圓弧開孔形式,橫隔板厚度為14mm。雙面焊內(nèi)焊在工廠內(nèi)通過焊接機器人進行焊接,外側(cè)焊縫熔透率為75%。參考鋼橋面板典型構(gòu)造細節(jié)影響面分布規(guī)律[3],選取橫向4縱肋、縱向3跨橫隔板為疲勞節(jié)段幾何模型。幾何模型尺寸與雙面焊構(gòu)造參數(shù)如圖2所示,其中關(guān)注位置位于第二跨跨中第2條縱肋(U2)右上方處。

圖2 疲勞節(jié)段幾何尺寸(單位:mm)

3 熱點應(yīng)力評估方法

疲勞裂紋萌生點也成為疲勞熱點。熱點應(yīng)力早期計算時,通常取距離焊趾一定距離處的應(yīng)力為熱點應(yīng)力,該取值方法受網(wǎng)格和單元類型的影響較大。隨著疲勞問題研究的深入,表面外推法逐漸由管節(jié)點計算向焊接構(gòu)件發(fā)展,不同規(guī)范給出了熱點應(yīng)力的計算方法,大多通過取值點線性或者二次外推得到。國際焊接協(xié)會(IIW)給出了熱點應(yīng)力計算方法,第一種計算方法實用性較強,第二種計算方法對單元類型和精度的要求較高。本文采用第一種計算方法,該方法熱點應(yīng)力取值點分別取距離焊趾0.4t處的應(yīng)力σ0.4t和距離焊趾1.0t處的應(yīng)力σ1.0t(t為面板厚度),然后通過線性外推計算焊趾處的熱點應(yīng)力。σ0.4t和σ1.0t均可通過有限元模型提取得到。結(jié)合本文分析對象,熱點應(yīng)力計算圖示如圖3所示。

圖3 IIW熱點應(yīng)力第一種計算方法圖示

鋼橋面板縱肋連接細節(jié)焊趾處熱點應(yīng)力σhs由式(1)計算得到。

σhs=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

4 有限元模型

分別建立不含鋪裝層、含鋪裝層兩種有限元模型,鋪裝層材料為環(huán)氧瀝青混凝土。由于橋面鋪裝相對于面板而言,剛度較小,大多研究中忽略了鋪裝層的作用,分析結(jié)果偏于不利,可能導(dǎo)致疲勞應(yīng)力過大。本文考慮鋪裝層的作用,以準確反映面板縱肋連接細節(jié)的疲勞性能。由于瀝青材料受穩(wěn)定影響較大,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,環(huán)氧瀝青混凝土不同季節(jié)的材料參數(shù)見表1。

表1 環(huán)氧瀝青混凝土材料參數(shù)

鋼橋面板疲勞問題與輪載密切相關(guān),相關(guān)研究表明典型構(gòu)造細節(jié)的疲勞損傷在歐規(guī)標準疲勞車輪載作用下更為嚴重[9]。本文以歐規(guī)標準疲勞車輪載作為疲勞荷載[8]。由于面板縱肋連接細節(jié)橫向影響線較短,加載時僅考慮單側(cè)前后輪的影響,加載輪載如圖4所示,輪載大小為60kN。有限元模型中為加載方便,僅考慮單個輪載進行縱向移動加載,前后輪共同作用通過影響線線性疊加得到。

圖4 標準疲勞車及加載輪載(單位:mm)

采用子模型技術(shù)建立關(guān)注位置面板縱肋局部子模型,單元類型為二次實體元,子模型以外區(qū)域采用線性實體元,以提高計算精度。子模型熱點應(yīng)力取值點設(shè)置節(jié)點,并細化網(wǎng)格尺寸。根據(jù)節(jié)段幾何模型在實橋中的約束情況,分別對模型橫向兩側(cè)頂板、豎向橫隔板底部進行橫向、豎向約束,對模型縱向一側(cè)的懸臂端頂板和縱肋進行縱向約束。橫向加載位置為U2右側(cè)腹板正上方位置,縱向移動加載,加載步長為100mm,由于模型對稱,取荷載步為31步。不考慮鋪裝與鋼橋面板之間的粘結(jié)滑移作用,所建立的有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

5 計算結(jié)果分析

5.1 不同季節(jié)影響的分析

不同季節(jié)下鋪裝層材料彈性模量具有明顯的差別,為探究鋪裝層材料本身對鋼橋面板縱肋連接細節(jié)疲勞性能的影響,分別計算了表1中的三種情形。焊接殘余應(yīng)力一般為狀態(tài)量,對疲勞應(yīng)力幅基本無影響。從疲勞裂紋開裂模式可知,雙面焊焊接接頭焊趾主要受垂直裂紋面的應(yīng)力作用,當不考慮焊接殘余應(yīng)力時,經(jīng)應(yīng)力計算結(jié)果分析,該位置的疲勞代表應(yīng)力為主壓應(yīng)力。以圖4所示作用位置處于第二跨跨中時為坐標原點,得到輪載作用下內(nèi)側(cè)焊趾和外側(cè)焊趾熱點應(yīng)力歷程曲線,如圖6所示。

圖6 不同季節(jié)熱點應(yīng)力歷程

計算結(jié)果表明:(1)對于鋼橋面板縱肋連接細節(jié)而言,不同季節(jié)下鋪裝層材料對內(nèi)側(cè)焊趾和外側(cè)焊趾熱點應(yīng)力影響均較大,其中夏季由于鋪裝層材料彈性模量降低,熱點應(yīng)力幅最大。(2)對于夏季而言,內(nèi)側(cè)焊趾熱點應(yīng)力幅為26.0MPa,外側(cè)焊趾熱點應(yīng)力幅為36.7MPa,冬季熱點應(yīng)力幅水平較低,可以忽略。就焊縫位置而言,外側(cè)焊縫熱點應(yīng)力幅較大,是雙面焊焊接接頭分析的重點。該分析結(jié)果進一步表明雙面焊焊接接頭使得潛在的疲勞裂紋由單面焊焊根遷移至雙面焊外側(cè)焊趾,雙面焊焊接接頭有利于疲勞裂紋的檢測。

5.2 不考慮鋪裝作用的分析

夏季鋪裝層作用下鋼橋面板縱肋連接細節(jié)熱點應(yīng)力幅最大,以該季節(jié)為分析對象,鋼板材料參數(shù)基本不受季節(jié)影響。此處考慮有鋪裝、無鋪裝兩種情形,對內(nèi)側(cè)焊趾和外側(cè)焊趾熱點應(yīng)力歷程進行分析,如圖7所示。

圖7 有無鋪裝熱點應(yīng)力歷程

分析結(jié)果表明:鋪裝層對鋼橋面板縱肋連接細節(jié)的疲勞性能影響較大。對于內(nèi)側(cè)焊趾而言,不考慮鋪裝后,熱點應(yīng)力幅由26.0MPa增加到33.7MPa,增幅29.6%;對于外側(cè)焊趾而言,不考慮鋪裝層后,熱點應(yīng)力幅由36.7MPa增加到45.3MPa,增幅23.4%。鋪裝能夠有效降低鋼橋面板縱肋連接細節(jié)應(yīng)力幅,其中內(nèi)側(cè)焊趾應(yīng)力幅降低幅度較大。鋼橋面板在施工橋面鋪裝時應(yīng)盡量增強面板與鋪裝的粘結(jié)力,使鋪裝能夠參與橋面板的受力。

根據(jù)本文分析結(jié)果,在疲勞設(shè)計時建議應(yīng)按最不利季節(jié)考慮鋪裝層的作用,此時實橋疲勞累計損傷度可控制在不考慮鋪裝層和按照不同季節(jié)實際所受的疲勞損傷之間,此種情形下,既能保障實橋工程造價合理可控,又能使疲勞應(yīng)力幅具有一定的安全度。目前該橋已運行多年,橋梁技術(shù)狀況良好,未出現(xiàn)疲勞裂紋。

6 結(jié)論

以鋼橋面板縱肋連接細節(jié)為研究對象,采用熱點應(yīng)力評估方法對雙面焊內(nèi)側(cè)焊趾和外側(cè)焊趾的疲勞應(yīng)力幅進行了分析。主要結(jié)論:

(1)不同季節(jié)鋪裝材料對鋼橋面板縱肋連接細節(jié)疲勞性能影響較大,夏季時疲勞應(yīng)力幅相對較高、冬季最小。

(2)不考慮鋪裝對于鋼橋面板縱肋連接細節(jié)的疲勞計算偏于不利。在本文模型尺寸條件下,不考慮鋪裝將使主導(dǎo)疲勞失效模式處的疲勞應(yīng)力幅增加23.4%。建議疲勞計算時應(yīng)結(jié)合鋪裝材料特性及其與鋼橋面板的粘結(jié)情況,進行綜合考慮。