正交异性板纵肋—面板焊接接头热点应力分析

迟啸起 张海芳

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

正交异性板纵肋—面板焊接接头热点应力分析

迟啸起 张海芳

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

对某大桥正交异性钢桥面板的纵肋—面板焊接接头进行了热点应力法实体单元有限元分析，通过ABAQUS的模拟分析结果表明，轮压对于正交异性板钢桥面板的应力影响范围很小，对纵肋—面板焊接接头的应力提升不明显，接头非线性应力分布在距离焊趾0．4t的范围内，应力分布特点与以往针对平板焊接结构的热点应力研究成果相吻合。

正交异性板，纵肋—盖板接头，热点应力，疲劳分析

0 引言

正交异性钢桥面板在我国目前大跨桥梁的建设当中应用十分广泛，同时其在工程中最主要的病害是焊接接头的疲劳开裂。目前针对焊接接头的疲劳寿命评估主要使用基于S—N曲线的名义应力法。但是在实际工程中名义应力法的应用有诸多的限制，一方面复杂连接部位的名义应力通常无法找到明确的分类，另一方面，使用有限元分析计算解析法难以得出的局部应力时，其应力结果的导出也很难做到精确合理。

随着有限元的广泛应用，热点应力法在近20年来得到很大发展。特别是基于表面外推针对焊趾开裂的热点应力法疲劳分析研究成果显著，在船舶工程［1］、机械制造业［2］中广泛应用。热点应力法应用到钢桥的疲劳寿命评估的实践还不多，因此针对其进行研究探讨很有意义。

1 基本原理

1．1 热点应力以及其组成

焊接结构中，焊接切口效应会影响焊趾附近区域应力沿板厚的线性分布。焊趾处的切口应力值要比名义应力值高得多，而这控制着沿板厚方向的疲劳开裂。因为在初始裂纹出现前在这一点产生了塑性应变，这一区域的温度也会升高，因此形象的称为热点，热点应力法即是对此热点进行疲劳分析的方法。在热点区域的非线性的应力分布由膜应力、板的弯曲应力以及非线性应力峰值三部分组成，Hobbacher［3］给出了三种应力的分布函数，热点应力法中的热点应力并不考虑非线性应力峰值的影响，根据IIW的规定，在实际应用中其值由式(1)表示。

其中，σhs为热点应力值;σmem为膜应力;σben为板的弯曲应力。

1．2 热点类型及表面外推公式

在使用热点应力法时，根据IIW的规定，焊接部位的热点分为两种类型(见图1)：

1)位于板的表面。

2)位于板的边缘。

图1 不同类型的热点

本文中所要研究的纵肋—面板焊接接头焊趾开裂为1)类型的热点。

热点应力本质上是一个假想值，而在应用中如何考虑焊趾处的非线性应力峰值是一个重要问题。根据Ericksson［4］研究，非线性应力峰值包含了两种应力提高因素(见图2)。一种为切口效应所引起，另一种为局部几何因素所引起。简单的分离这两部分的方法就是找到距离焊趾一个合适位置的表面外推点。以往研究表明非线性应力峰值的影响通常在距离焊趾0．3t～0．4t就基本消失。各国研究学者和船级社外推点的选取以及外推公式不尽相同，其中国际焊接学会IIW建议采用距离焊趾0．4t和1．0t两点作为线性外推点，给出的外推公式为式(2)。

其中，σ0．4t为距离焊趾 0．4 倍面板厚度处的节点应力;σ1．0t为距离焊趾1．0倍面板厚度处的节点应力。

图2 焊趾附近的应力构成

2 模型建立

本文针对某大桥正交异性钢桥面板进行有限元分析，采用8纵肋局部模型，因横隔板对桥面板起到了支撑作用，因此跨度采用横隔板的间距4 m。桥面板的板厚为14 mm，每个纵肋相距600 mm，典型纵肋为梯形纵肋，纵肋尺寸见图3。

根据Hobbacher的研究，热点应力法的有限元模型宜采用8节点的板壳单元以及20节点的缩减积分实体单元，并且单元的积分点或者节点应与外推点的位置是一致的，这样才能保证计算的精度。

本文中采用实体单元进行建模，模拟轮压荷载在跨中的作用，轮压面积按照国内规范的要求采用600 mm×200 mm，轮压横向间距为1．8 m，轴重100 kN，荷载根据 Zhi-Gang Xiao等人［5］的研究使荷载中心布置在肋壁上方，荷载位置局部网格进行了细化，计算模型见图4，其中图4a)为计算整体模型，图4b)为纵肋—面板连接局部。

图4 正交异性钢桥面板有限元模型

3 有限元分析结果

经过有限元计算，得到了正交异性钢桥面板整体模型的Mises应力云图，如图5a)所示，纵肋—面板连接放大得到的S11应力云图如图5b)所示。

图5 正交异性钢桥面板模型应力云图

由图5可知，在轮压荷载下，面板上的应力分布范围较小，两个轮压对应力产生的叠加效应并不明显。由于纵肋肋壁的支撑作用，肋壁上方的桥面板产生了较大的拉应力。而对于焊趾附近区域的应力情况，通过统计节点应力值，得到结果如图6所示，可见焊缝区域的应力集中效应还是十分明显的，而这种应力集中的现象在距离焊趾4 mm～5 mm处就基本消失，这与IIW规范以及以往针对平板焊接结构的研究成果是吻合的，因此将IIW规范的热点应力法用于正交异性板纵肋—面板连接进行疲劳估算是合适的。

计算模型中纵肋—面板连接距离焊趾0．4t和1．0t外推点应力分别为－55．76 MPa和－42．26 MPa，通过外推公式计算得到的热点应力值为－64．81 MPa。因为热点应力是线性应力的叠加，因此对于该大桥正交异性板纵肋—面板焊接接头疲劳寿命估算时，在弹性范围内可以使用100 kN轴载下的此热点应力值为基准进行计算。

图6 正交异性钢桥面板纵肋—盖板连接焊接趾附近的节点应力

根据IIW规范，纵肋—面板焊接接头热点应力符合100分级，考虑轴载为0～1加载情况，则100 kN轴载对应的疲劳应力幅为64．81 MPa，可以得出该大桥正交异性板纵肋—面板焊接接头200万次疲劳寿命对应的等效轴载为154．3 kN。

4 结语

在轮压荷载下，面板上的应力分布范围较小，两个轮压对应力产生的叠加效应不明显。针对本文的正交异性板设计方案，采用20节点实体单元模拟其纵肋—面板焊接接头时，焊接区域的应力集中现象分布在距离焊趾0．4t以内，之后应力呈线性分布。利用IIW规范对该焊接接头进行疲劳估算时，在100 kN轴载下，纵肋—面板焊接接头热点应力值为－64．81 MPa。200万次常幅疲劳寿命对应的轴载为154．3 kN。

［1］詹志鹄，夏洪禄．船舶纵向构件疲劳评估的热点应力方法［J］．船海工程，2007，36(4)：15-19．

［2］王 忠，张开林，魏 朔．机车减振器座焊缝疲劳的热点应力分析［J］．内燃机车，2006(8)：12-14，21．

［3］Hobbacher A．Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components IIW Document XIII-1965-03，XV-1127-03，Paris，2005．

［4］Ericksson A．Weld Evaluation Using FEM：A Guide to Fatigueloaded Structures［M］．Stockholm：Industrilitteratur，2003．

［5］Xiao Z．G．，Yamada K．，Inoue J．，et al．Fatigue Cracks in Longitudinal Ribs of Steel Orthotropic deck．Int．J．Fatigue，2009 (28)：409-416．

Analysis on hot-spot stress of orthotropic longitudinal rib-surfacing plate welding joint

CHI Xiao-qiZHANG Hai-fang

(College of Building Engineering，Beijing University of Industry，Beijing 100124，China)

The paper carries out the finite element analysis of hot-spot stress method of orthotropic longitudinal rib-surfacing plate welding joint．ABAQUS simulation results show that：the wheel-pressure has little effect upon the steel-plate bridge stress influence scope of orthotropic plate，there is little effect of longitudinal rib-surfacing plate stress，nonlinear stress distribution of the joint is within 0．4t，stress distribution features are in accordance with the hot-spot stress research achievements of the horizontal plate welding structure．

orthotropic plate，longitudinal rib-covering slab joint，hot-spot stress，fatigue analysis

U443．31

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.22.072

1009-6825(2012)22-0179-02

2012-05-04

迟啸起(1986-)，男，在读硕士