鋼箱梁局部構(gòu)造對(duì)其關(guān)鍵焊縫疲勞性能的影響

鋼箱梁局部構(gòu)造對(duì)其關(guān)鍵焊縫疲勞性能的影響

1結(jié)構(gòu)內(nèi)載荷差異對(duì)鋼箱梁疲勞性能的影響目前，國內(nèi)外主要鋼橋都發(fā)生了正交單胺橋板的疲勞和開裂事件。如著名的英國塞文(Severn)橋,在1971年和1977年就在橋面板焊縫處發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋。國內(nèi)1997年建成通車的廣東虎門大橋從2003年開始橋面板出現(xiàn)了疲勞裂紋,更引發(fā)了學(xué)者對(duì)于扁平鋼箱梁橋疲勞破壞問題的關(guān)注[3~7]。國內(nèi)外已有研究成果大多關(guān)注于設(shè)計(jì)參數(shù)及車輛荷載對(duì)鋼箱梁疲勞受力的影響[2~7],而較少研究局部構(gòu)造差異對(duì)鋼箱梁疲勞性能的影響。在實(shí)際工程中,大部分斜拉橋鋼箱梁中會(huì)沿順橋向設(shè)置加強(qiáng)桁架(或加強(qiáng)板)來協(xié)助抵抗巨大的軸向壓力。而懸索橋鋼箱梁中的軸向壓力可以忽略不計(jì),一般未設(shè)置縱向加強(qiáng)桁架。以國內(nèi)某座跨長江的大橋?yàn)檠芯勘尘?該橋由斜拉橋(主跨406m)和懸索橋組成(主跨1490m),斜拉橋鋼箱梁有縱向加強(qiáng)桁架,見圖1(a),懸索橋鋼箱梁無縱向加強(qiáng)桁架,見圖1(b)。兩橋鋼箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)差異較小,鋼箱梁焊縫細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度應(yīng)是一致的。但應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,懸索橋鋼箱梁關(guān)鍵焊縫細(xì)節(jié)的疲勞損傷要遠(yuǎn)大于相同位置的斜拉橋焊縫細(xì)節(jié)(焊縫細(xì)節(jié)的位置位于圖1中圓圈之內(nèi))。圖1中圓圈所示位置位于橋面行車道和超車道之間,此處焊縫極易發(fā)生疲勞開裂,而斜拉橋鋼箱梁正好在此處設(shè)置了縱向加強(qiáng)桁架。本文選取圖1所示縱向加強(qiáng)桁架附近區(qū)域的焊縫細(xì)節(jié)為研究對(duì)象,首先討論了鋼箱梁焊縫疲勞應(yīng)力計(jì)算的有限元方法,在此基礎(chǔ)上分析了縱向加強(qiáng)桁架對(duì)鋼箱梁關(guān)鍵焊縫細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力范圍及損傷的影響。2阿德羅斯-箱梁的有限建模2.1疲勞參考應(yīng)力計(jì)算選擇縱向加強(qiáng)桁架附近的頂板-U形肋焊縫(即圖2中的焊縫Ⅰ,順橋向位置X=0)和U形肋對(duì)接焊縫(即焊縫Ⅱ,順橋向位置X=0)為分析對(duì)象,對(duì)于焊縫Ⅰ,提取頂板橫橋向彎曲應(yīng)力作為疲勞參考應(yīng)力,對(duì)于焊縫Ⅱ,則提取U形肋的順橋向應(yīng)力作為疲勞參考應(yīng)力。計(jì)算荷載根據(jù)JTGD60-2004中的車輛荷載模型確定,將車輛荷載模型的中軸抽離出來,采用單軸單輪進(jìn)行加載,輪重為60kN,規(guī)范中的中軸輪載著地范圍為0.6m×0.2m,為了計(jì)算方便,將單輪輪載等效為一橫橋向長度為0.6m的線荷載。如圖2所示,每次加載時(shí),由于U形肋開口間距為300mm,因此,車輪荷載沿橫橋向覆蓋2個(gè)U形肋開口間距,每次沿橫向移動(dòng)0.15m(即半個(gè)U形肋開口間距),共可得10個(gè)橫向加載工況(A~J)。對(duì)于每個(gè)加載工況,車輪沿順橋向(即X方向)移動(dòng)5個(gè)橫隔板間距,順橋向移動(dòng)距離為18.5m(2×3.75m+3.5m+2×3.75m)。2.2鋼箱梁有限元模型為準(zhǔn)確地模擬扁平鋼箱梁關(guān)鍵焊縫細(xì)節(jié)在車輛荷載作用下的受力狀態(tài),必須考慮扁平鋼箱梁整體結(jié)構(gòu)尺度與局部構(gòu)件尺度之間的懸殊差距,同時(shí)兼顧模型節(jié)點(diǎn)規(guī)模和計(jì)算效率。為此,將扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)劃分為2個(gè)尺度模型:①整體尺度模型。采用正交異性殼單元等效模擬頂、底板及其縱向加勁肋,在此基礎(chǔ)上與橫隔板、腹板等組成空間箱形結(jié)構(gòu)分析模型。②局部尺度模型。采用殼單元精細(xì)模擬鋼箱梁的各個(gè)構(gòu)件,并且對(duì)所關(guān)注焊縫周圍區(qū)域的單元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。選擇主跨跨中1個(gè)橫隔板間距(長3.5m)內(nèi)的上游1/2鋼箱梁進(jìn)行建模,局部尺度模型如圖3所示,共計(jì)離散為7514個(gè)殼單元,圖中,X方向?yàn)轫槝蛳?Y為橫橋向,Z為豎直方向。鋼箱梁有限元建模采用的殼單元均為ANSYS軟件中的Shell63單元。最后采用子模型法建立上述2種尺度模型之間的雙向聯(lián)系。采用子模型法可以獲得鋼箱梁焊縫應(yīng)力的精確計(jì)算結(jié)果,但需同時(shí)建立全橋整體模型和局部精細(xì)化模型,建模過程較為復(fù)雜,工作量較大。本節(jié)采用圖3的局部精細(xì)模型直接計(jì)算焊縫細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力變化曲線,計(jì)算時(shí)將模型邊界上的節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為固定約束。圖4給出了工況F作用下焊縫Ⅰ的2種應(yīng)力變化曲線,從圖4可以發(fā)現(xiàn),采用子模型方法和局部模型直接加載法所得到的應(yīng)力變化曲線幾乎重合,這說明采用局部模型計(jì)算得到的應(yīng)力變化曲線仍具有較高的精度。焊縫Ⅱ的2種應(yīng)力變化曲線也十分接近,本文不予贅述。2.3模型的建立及單元的界定基于上節(jié)的分析,直接采用局部精細(xì)模型計(jì)算無縱向加強(qiáng)桁架的焊接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力,如圖5所示,選取跨中3個(gè)橫隔板間距的鋼箱梁建立局部精細(xì)模型(順橋向長3×3.22m),對(duì)頂板及底板的U形肋進(jìn)行精確建模,同時(shí),對(duì)所涉及的焊接細(xì)節(jié)局部區(qū)域的單元進(jìn)一步細(xì)分。加載方案與圖2中加載方案一樣,并選擇與圖2中相同位置的頂板-U形肋焊縫(焊縫Ⅰ)和U形肋對(duì)接焊縫(焊縫Ⅱ)進(jìn)行分析,計(jì)算時(shí)將局部模型邊界上的節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為固定約束。3結(jié)果表明，抗彎疲勞分析的結(jié)果表明3.1縱向加強(qiáng)桁架與橫向加載工況單輪輪載作用在X=0時(shí)跨中鋼箱梁段的豎向位移(即Z方向位移場(chǎng))見圖6,圖中選擇的橫向加載工況為工況E和工況H(由圖3可知,工況E荷載的3/4在縱向加強(qiáng)桁架的左邊,1/4在縱向加強(qiáng)桁架的右邊,而工況H的線荷載則分布在縱向加強(qiáng)桁架的右邊),從圖6可以看出,2個(gè)工況的車輪荷載都造成了正交異性鋼橋面板的局部凹陷,具體表現(xiàn)為:①從順橋向來看,兩者的凹陷區(qū)域都被限制在跨中鋼箱梁段范圍之內(nèi),即兩橫隔板之間,可見單輪荷載對(duì)橋面板的縱向影響范圍是十分有限的。②從橫橋向來看,工況E的凹陷區(qū)域分布在縱向加強(qiáng)桁架兩側(cè),位移最大值發(fā)生在縱向加強(qiáng)桁架左側(cè),工況H的凹陷區(qū)域則全部分布在縱向加強(qiáng)桁架的右側(cè),單輪荷載的橫向影響范圍約3~4個(gè)U形肋開口間距(即900~1200mm),可見單輪荷載對(duì)橋面板的橫向影響范圍亦十分有限。圖6的計(jì)算結(jié)果說明鋼箱梁焊縫細(xì)節(jié)的受力狀態(tài)現(xiàn)象具有顯著的局部效應(yīng),因此,對(duì)于本文所選取的2種焊縫細(xì)節(jié),選擇跨中1個(gè)橫隔板間距進(jìn)行加載(即-1.75~1.75m),加載時(shí),對(duì)于每個(gè)橫向加載工況,車輪荷載沿順橋向筆直前進(jìn),記錄輪載到達(dá)不同順橋向位置時(shí)焊縫的應(yīng)力,得到了圖7(a)所示的應(yīng)力曲線。限于篇幅,僅在圖7(a)給出了有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁的焊縫Ⅰ在輪載作用下的應(yīng)力變化曲線。計(jì)算結(jié)果表明:①對(duì)于焊縫Ⅰ,在工況B作用下的應(yīng)力峰值為9.3MPa,為所有工況的最大值;工況E的車輪中心線與焊縫Ⅰ橫橋向位置重合,其影響線的峰值卻僅為7.7MPa,這是因?yàn)榭v向加強(qiáng)桁架增大了橋面板的局部剛度,即使車輪荷載直接作用在焊縫Ⅰ的上方時(shí)(工況E),其產(chǎn)生的應(yīng)力峰值在所有工況中并不是最大;②對(duì)于焊縫Ⅱ,應(yīng)力峰值隨著車輪荷載的右移而不斷增大,到工況I時(shí)達(dá)到最大值8.2MPa,繼而又減小。3.2車輛荷載作用下的疲勞損傷問題無縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁的焊縫Ⅰ在沿順橋向移動(dòng)輪載作用下的應(yīng)力變化曲線見圖7(b),圖中的豎虛線表示鋼箱梁的橫隔板。計(jì)算結(jié)果表明:①無論是焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ,應(yīng)力變化曲線的有效長度均較短,基本控制在鋼箱梁跨中兩橫隔板的距離之內(nèi),這說明鋼箱梁正交異性鋼橋面板焊接細(xì)節(jié)在車輛荷載作用下的疲勞損傷問題具有極強(qiáng)的局部效應(yīng),焊接細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力影響線的有效長度主要受橫隔板間距的影響。②對(duì)于焊縫Ⅰ,在工況E作用下的影響線應(yīng)力峰值為28.5MPa,為所有工況的最大值,這是由于此時(shí)的車輪荷載中心線正好位于焊縫Ⅰ的上方。③對(duì)于焊縫Ⅱ,其影響線的應(yīng)力峰值隨著車輪的右移而不斷增大,到工況H時(shí)達(dá)到最大值37.6MPa,繼而又開始減小,這一特點(diǎn)與有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁相似。4比較接頭疲勞性能4.1有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁焊縫的應(yīng)力范圍對(duì)上述應(yīng)力曲線進(jìn)行雨流計(jì)數(shù),可得輪載沿順橋向通過橋面時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán),表1給出了雨流計(jì)數(shù)結(jié)果。從表1可以看出,無縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁關(guān)鍵位置焊縫的應(yīng)力范圍要遠(yuǎn)大于有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁的,如工況E作用下,有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁焊縫Ⅰ的應(yīng)力范圍僅為3.1MPa和10.7MPa,而無縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁焊縫Ⅰ的應(yīng)力范圍則為5.5MPa和33.0MPa。同時(shí),無縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁焊縫應(yīng)力循環(huán)的數(shù)量也多于有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁,有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁焊縫Ⅰ的應(yīng)力循環(huán)數(shù)多為1、2個(gè),而無縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁焊縫Ⅰ的應(yīng)力循環(huán)數(shù)則多為2、3個(gè),而引起這一差異的原因應(yīng)是縱向加強(qiáng)桁架增加了其附近鋼箱梁頂板的局部剛度。4.2焊縫kc和kc根據(jù)歐洲規(guī)范Eurocode3提供的正交異性板的S~N曲線,同時(shí)結(jié)合Palmgren-Miner線性損傷累積理論,建立鋼箱梁焊縫細(xì)節(jié)的疲勞損傷計(jì)算公式:式中,ΔσD為常幅疲勞極限,當(dāng)應(yīng)力范圍Si大于ΔσD時(shí),疲勞強(qiáng)度系數(shù)為KC;當(dāng)應(yīng)力范圍Sj小于ΔσD時(shí),疲勞強(qiáng)度系數(shù)為KD,ni和nj分別為大于ΔσD和小于等于ΔσD的應(yīng)力循環(huán)作用次數(shù),對(duì)于本文所涉及的頂板-U形肋焊縫(焊縫Ⅰ),KC和KD分別為2.50×1011和3.47×1014;對(duì)于U形肋對(duì)接焊縫(焊縫Ⅱ),KC和KD分別為7.16×1011和1.90×1015。利用式(1)計(jì)算的焊縫疲勞損傷值見圖8。從圖8可以看出:(1)無縱向加強(qiáng)桁架焊縫的疲勞損傷遠(yuǎn)大于有縱向加強(qiáng)桁架焊縫的,兩者相差在2個(gè)數(shù)量級(jí)以上;同時(shí),不論是否有縱向加強(qiáng)桁架,鋼箱梁焊縫Ⅰ的疲勞損傷要遠(yuǎn)大于焊縫Ⅱ。(2)對(duì)于無縱向加強(qiáng)桁架焊縫Ⅰ,發(fā)生最大疲勞損傷的為工況E,數(shù)值為1.7×10-4,此時(shí)車輪荷載的中心線正好位于焊縫Ⅰ的正上方;對(duì)于焊縫Ⅱ,發(fā)生最大疲勞損傷的為工況H,數(shù)值為7.2×10-8,此時(shí)輪荷載的中心線也正好位于焊縫Ⅱ的正上方。(3)對(duì)于有縱向加強(qiáng)桁架的焊縫Ⅰ,發(fā)生最大疲勞損傷的反而為工況B,數(shù)值為6.6×10-7,工況E造成的疲勞損傷略小,數(shù)值為6.1×10-7,同時(shí),在工況H、工況I和工況J作用下的疲勞損傷接近于0,這是由于這3個(gè)工況的荷載均位于縱向加強(qiáng)桁架的右邊,而焊縫Ⅰ則處于縱向加強(qiáng)桁架的左邊,因此,這3個(gè)工況的荷載基本不能影響到焊縫Ⅰ。(4)對(duì)于有縱向加強(qiáng)桁架的焊縫Ⅱ,其疲勞損傷變化規(guī)律則與無縱向加強(qiáng)桁架焊縫Ⅱ較為類似,隨著車輪荷載的右移,疲勞損傷不斷增大,至工況H時(shí)達(dá)到最大值,繼而疲勞損傷開始減小。5局部構(gòu)造差異(1)研究表明,有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁關(guān)鍵焊縫的疲勞性能與相同位置的無縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁焊縫的疲勞性能存在明顯區(qū)別。這是因?yàn)榭v向加強(qiáng)桁架增加了附近橋面的豎向剛度,同時(shí)也改變了其臨近焊縫的疲勞受力狀態(tài),這一局部構(gòu)造的差異使得有縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁和無縱向加強(qiáng)桁架鋼箱梁關(guān)鍵焊縫的疲勞性能存在較大差異。(2)分析表明