宋健，薛松領(lǐng)，李 輝，李鴻盛

（1.中交一公局重慶萬州高速公路有限公司，重慶市 404100；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

0 引言

在懸索橋中，索夾通過螺栓緊固在主纜之上，通過對螺栓提供預(yù)緊力從而保證索夾不會(huì)發(fā)生滑移。然而在懸索橋運(yùn)營的過程中，螺栓力會(huì)發(fā)生松弛［1-3］。如泰州長江大橋、南京第四長江大橋及西堠門大橋等橋梁的索夾螺栓均發(fā)生過松弛現(xiàn)象。索夾螺栓力松弛受許多因素的影響，如螺栓緊固順序、接觸面材料及結(jié)合面間隙等。由此可見，在懸索橋運(yùn)營過程中螺栓力松弛是不可避免的［4-6］。螺栓力松弛對懸索橋結(jié)構(gòu)及相連構(gòu)件產(chǎn)生的影響需根據(jù)具體問題具體分析。

重慶萬州新田長江大橋是一座主跨1 020 m 單跨懸吊鋼箱加勁梁懸索橋，其邊跨無吊索索夾和中跨有吊索的SJ5 類索夾中8 個(gè)索夾采用了焊接式索夾。萬州新田長江大橋首次采用焊接索夾，在全壽命周期中，不同狀態(tài)下索夾焊縫疲勞是設(shè)計(jì)和建造最為關(guān)心的問題。本文研究在橋梁運(yùn)營過程中索夾螺栓力松弛對焊接式索夾焊縫疲勞性能的影響。首先對焊接式索夾進(jìn)行幾何構(gòu)造分析；然后通過Abaqus 建立焊接式索夾有限元模型，分析索夾在不同的吊索力下和不同的螺栓力損失情況下的應(yīng)力分布。對比分析了螺栓力損失對焊接式索夾焊縫應(yīng)力幅的影響。通過規(guī)范所提供的適用本模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的疲勞壽命。最后對螺栓力松弛對焊接式索夾疲勞性能的影響做了相應(yīng)的評價(jià)。

1 分析方法與流程

分析之前，必須明確結(jié)構(gòu)的材料屬性，材料屬性的正確選擇直接關(guān)系到模型分析的準(zhǔn)確性。本文通過查找之前的參考文獻(xiàn)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了模型的材料屬性；其次必須充分了解結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造，本文建立與實(shí)際情況相同的數(shù)值模型，此過程可借助通用有限元軟件實(shí)現(xiàn)。

在確定了合適的材料參數(shù)之后，建立重慶萬州新田長江大橋全橋模型，分析焊接式索夾在吊索力以及螺栓力共同作用下的受力狀態(tài)。通過改變螺栓力而實(shí)現(xiàn)焊縫處應(yīng)力幅的變化，研究螺栓力的松弛對焊縫處應(yīng)力幅的影響。查找適合于本模型的相應(yīng)文件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析螺栓力松弛對焊接式索夾疲勞性能的影響。具體分析流程圖如圖1 所示。

圖1 分析流程圖

2 螺栓力松弛對索夾焊縫應(yīng)力幅的影響

2.1 焊接式索夾應(yīng)力分析

建立如圖2 所示的焊接式索夾模型，由圖2（a）可知：焊接式索夾共有4 條角焊縫和3 條受拉焊縫。其中受拉焊縫受到疲勞荷載的作用，因此需對這3條受拉焊縫進(jìn)行疲勞分析。螺栓彈性模量為E=210 GPa，泊松比為0.3。螺栓之間法向接觸采用增廣的拉格朗算法，切向接觸采用罰函數(shù)算法，摩擦系數(shù)為0.15。索夾采用鋼構(gòu)件，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3。主纜的彈性模量采用等效彈性模量計(jì)算，在緊纜前其初始空隙率為20%，在緊纜后其空隙率為18%，等效彈性模量為3.7 GPa，泊松比 為0.3［7］。焊 縫 采 用E55 型 焊 條，其 屈 服 強(qiáng) 度 為440 MPa，抗拉強(qiáng)度為550 MPa。主纜與索夾之間采用庫侖摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.15。其裝配有限元模型見圖2（b）。

圖2 焊接式索夾分析模型圖

焊接式索夾采用6 個(gè)螺栓，螺栓力均為817 kN。螺栓力會(huì)在緊纜的過程中發(fā)生損失，在緊纜后對損失的螺栓力進(jìn)行補(bǔ)充，使螺栓力保持為817 kN。在實(shí)際橋梁的運(yùn)營過程中，焊接式索夾上的螺栓處于常溫狀態(tài)，故可以忽略螺栓的高溫蠕變影響。大量參考文獻(xiàn)表明：在不考慮螺栓由于蠕變引起的松弛效應(yīng)時(shí)，螺栓力的損失主要由機(jī)械松動(dòng)引起，在本模型中考慮由于吊索疲勞荷載振動(dòng)引起螺栓相對滑動(dòng)而導(dǎo)致的螺栓力損失。萬州新田長江大橋恒載下分析出索夾受到吊索力為1 980.6 kN。

為了防止分析過程中由于網(wǎng)格劃分而產(chǎn)生應(yīng)力奇異的現(xiàn)象，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，以前后兩次應(yīng)力差相差不超過5%為準(zhǔn)則劃分出比較合理的網(wǎng)格。分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 緊纜后恒載作用下焊接式索夾應(yīng)力（單位：MPa）

由圖3 可知：緊纜后恒載作用下焊接式索夾焊縫最大應(yīng)力為156.7 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度。在焊縫處和螺栓處有應(yīng)力集中。

2.2 螺栓力損失對焊縫應(yīng)力幅的影響分析

萬州新田長江大橋恒載和疲勞荷載下分析出索夾受到吊索力為2 340 kN。按照2.1 節(jié)所示方法，分析焊接式索夾在此吊索力下的應(yīng)力分布。在橋梁的運(yùn)營過程中索夾上螺栓力會(huì)發(fā)生損失，分別考慮螺栓力損失5%，10%，15%，…，40%，45%時(shí)焊接式索夾應(yīng)力分布，并分析螺栓力損失對焊縫應(yīng)力幅的影響。圖4 為焊接式索夾在恒載作用下焊縫應(yīng)力分布隨螺栓力損失變化圖。圖5 為焊接式索夾在疲勞荷載作用下焊縫應(yīng)力分布隨螺栓力損失變化圖。提取Abaqus 中的計(jì)算結(jié)果，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1、2。

表1 恒載下計(jì)算結(jié)果

圖4 恒載作用下隨螺栓力損失的焊縫應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖5 疲勞荷載作用下隨螺栓力損失焊縫應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖4、5 和表1、2 可知：螺栓力的損失使索夾的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，焊縫處的應(yīng)力有所降低，恒載下焊縫處的最大應(yīng)力由156.7 MPa 變?yōu)?30.5 MPa，疲勞荷載下焊縫處的最大應(yīng)力由174.2 MPa 變?yōu)?49.3 MPa，但應(yīng)力幅卻增大，由17.5 MPa 變?yōu)?8.8 MPa。螺栓力損失了45%，應(yīng)力幅增大了7.4%。

3 螺栓力松弛對焊接式索夾疲勞壽命的影響

對于疲勞分析典型的計(jì)算方法有以試驗(yàn)為代表的S-N曲線［8-10］，以計(jì)算力學(xué)為代表的斷裂力學(xué)和最近幾年興起的近場動(dòng)力學(xué)等［11-15］。利用計(jì)算力學(xué)的方法計(jì)算疲勞斷裂時(shí)，在裂紋尖端處會(huì)遇到應(yīng)力奇異的現(xiàn)象，近場動(dòng)力學(xué)利用積分運(yùn)算代替微分運(yùn)算可很好地解決這一現(xiàn)象，但計(jì)算量非常大不適合工程應(yīng)用，本文利用適用于本模型情況以試驗(yàn)為代表的S-N曲線評價(jià)螺栓力松弛對索夾焊縫疲勞壽命的影響。

依據(jù)國際焊接疲勞協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算焊縫的疲勞［16-17］。國際焊接疲勞協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線數(shù)據(jù)也是基于名義應(yīng)力法在試驗(yàn)室獲得的。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)考慮了局部應(yīng)力集中、一定范圍內(nèi)的焊縫尺寸和形狀偏差、殘余應(yīng)力、焊接過程和隨后的焊縫改善措施等。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)為該接頭疲勞強(qiáng)度等級為100。對于每一等級接頭所施加應(yīng)力變化范圍ΔS與達(dá)到疲勞的循環(huán)數(shù)N之間的關(guān)系為：

式中：C是與S-N曲線相關(guān)的常數(shù)。C=2×1016，m=5，為雙對數(shù)S-N曲線的反向斜率。

對表2 中的數(shù)據(jù)利用式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的疲勞計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

表2 疲勞荷載下計(jì)算結(jié)果

圖6 焊接式索夾焊縫疲勞壽命與螺栓力損失關(guān)系

由圖6 可知：隨螺栓力損失率增大，疲勞壽命呈下降趨勢。當(dāng)螺栓力損失很小時(shí)，即5% 以內(nèi)，螺栓力損失對疲勞壽命沒有影響；當(dāng)螺栓力損失為10%～35%，螺栓力損失使疲勞壽命下降，且呈線性下降關(guān)系；當(dāng)螺栓力損失超過35%后，螺栓力損失對疲勞壽命影響發(fā)生了突變，螺栓力損失使疲勞壽命迅速下降，但在設(shè)計(jì)使用年限之內(nèi)（200 萬次疲勞荷載作用下），焊接式索夾仍然不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

4 結(jié)論

本文研究了橋梁運(yùn)營過程中焊接式索夾螺栓力損失與焊接式索夾焊縫疲勞問題。建立帶螺桿的索夾精細(xì)化有限元模型，研究螺栓力損失與焊接式索夾焊縫應(yīng)力幅變化及疲勞壽命之間的關(guān)系。得到如下結(jié)論及不足之處：

（1）螺栓力損失使焊接式索夾應(yīng)力變小，焊接式索夾焊縫應(yīng)力幅增大。

（2）螺栓力損失導(dǎo)致了焊接式索夾焊縫疲勞壽命的降低，但影響不大，在設(shè)計(jì)使用年限之內(nèi)，焊接式索夾仍然不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

（3）建議在使用過程中應(yīng)保持螺栓力的松弛控制在35%以下，在保證索夾抗滑能力的同時(shí)，延長索夾疲勞壽命。

（4）本文研究螺栓力的損失時(shí)并沒有考慮高強(qiáng)螺栓松弛的原因，只考慮了螺栓力松弛對疲勞的影響。本文研究也沒有考慮其他因素對焊接式索夾焊縫疲勞的影響。