基于JTG D64-2015规范的钢桥正交异性板面板与U肋焊缝疲劳应力分析

王 伟,王亚飞

(1.中铁大桥科学研究院有限公司,湖北 武汉 430034；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室,湖北 武汉 430034)

正交异性钢桥面板体系作为钢结构桥梁的主要桥面结构形式,具有自重轻、极限承载能力大、整体受力性能好等优点,近年来被广泛应用于大跨度桥梁中,但因其构造复杂、局部应力集中、焊缝较多而导致其疲劳问题突出[1]。顶板与U肋之间的焊缝为疲劳裂纹出现较多的部位之一,为了解决钢桥正交异性板面板与U肋焊缝开裂问题,国内外学者均开展了大量的研究工作,并取得许多成果[2-3]。较为普遍的认识是增加面板厚度能有效提高正交异性板面板与U肋焊缝的疲劳寿命；目前研究较热的是在钢桥桥面设置刚性铺装层,以降低面板与U肋焊缝处的弯曲应力。

对于以往正交异性钢桥面板疲劳验算,国内由于缺乏相应规范推荐的计算方法和疲劳车模型,许多学者计算采用的疲劳车荷载、轮距各有不同,所以计算结果较难相互验证。国内规范JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》参考欧盟疲劳规范Eurocode 3中的疲劳荷载计算模型和等效损伤评定方法,规定了钢结构桥梁的桥面系疲劳验算标准车模型,采用200万次载荷循环寿命下的允许等效应力幅ΔσE2来评价疲劳应力水平,其中允许等效应力幅ΔσE2为实际应力幅乘以损伤等效因子,综合反映跨长、车动载流量、设计年限及复合载荷对疲劳受力的影响。本文基于《公路钢结构桥梁设计规范》对钢桥正交异性板面板与U肋焊缝焊趾处应力幅进行验算。

1 钢桥正交异性板节段有限元模型的建立

选用典型正交异性桥面板结构,在纵向方向取3跨,单跨跨径2.8m,在横向方向选取6个U肋,U肋板厚度取8mm,高度280mm,肋间距为300mm；顶板厚度取16mm。采用有限元软件ANSYS建立仿真计算模型,采用板壳单元模拟,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型示意图

采用《公路钢结构桥梁设计规范》中5.5.2条,桥面系构件采用疲劳荷载计算模型III(单车模型)进行加载,单轮触地面积为0.6m×0.2m,轮压荷载为0.5MPa,模拟车辆通过全过程面板与U肋焊缝焊趾处的正应力变化情况。

2 面板与U肋焊缝的等效常幅应力值计算

钢桥正交异性板面板与U肋一般采用单面坡口焊,焊缝焊脚尺寸约为6mm。名义应力计算点取面板焊缝焊趾处,约离面板与U肋中心线交点1cm。全跨面板与U肋焊缝疲劳受力的横向最不利加载位置基本相同[4]。

采用疲劳荷载计算模型III的双轴在全跨范围纵向移动,模拟面板与U肋焊缝焊趾的受力最不利轮迹线,获得焊缝焊趾处正应力的极值。在最不利轮迹线下中跨跨中部位、距离支点0.2m处焊缝焊趾的正应力变化情况如图2所示。按照雨流计数法计算最大应力幅值,可得在疲劳车双轴作用下名义应力计算点处最大正应力幅Δσ1,在跨中部位计算值为62MPa。

图2 最不利轮迹线下U肋与面板焊缝焊趾正应力值

模型全跨范围的最大正应力幅计算值Δσ1如图3所示,可知面板与U肋焊缝焊趾在全跨范围的最大正应力幅基本相等,均为以压应力(Δσ1-min)为主的拉压循环荷载,而焊缝焊趾在跨中部位的拉应力(Δσ1-max)值略高于支点附近部位,压应力分布规律相反。由于有横隔板存在,对于支点附近的面板与U肋焊缝焊趾的应力幅需另做计算。

图3 最不利轮迹线下全跨范围U肋与面板焊缝焊趾应力幅

由于钢桥正交异性板各疲劳细节的有效影响面范围狭小,变化幅度大,因此疲劳细节对轮载的横向位置十分敏感。依据《公路钢结构桥梁设规范》5.5.7条,采用疲劳荷载计算模型计算正交异性板疲劳应力时,应考虑车辆在车道上的横向位置概率,可得等效常幅应力值ΔσE2值：

公式中ΔσE2为换算后的等效常幅应力值；Δφ为伸缩缝附近构件疲劳荷载的放大系数,当计算非伸缩缝附近构件时,取为0；γ为损伤等效系数,可取值为2.5,按其他高速公路或一级公路进行折算后,单车道年总交通量(预测年)≥119万辆；wi、σpmax,i和σpmin,i分别为不同横向位置的最大应力幅、最大应力与最小应力。

对于16mm厚顶板与U肋焊缝焊趾处,等效常幅应力ΔσE2在全跨范围平均值为145MPa,该结果不考虑支点附近的焊缝。依据《公路钢结构桥梁设规范》中桥面系疲劳验算的要求,按公式γFfΔσE2≦κsΔσc/γMf进行验算,其中γMf为疲劳荷载分项系数,取1.0；γMf按次要构件取疲劳抗力分项系数为1.15；Ks为尺寸效应折减系数,取为1.0。对于面板和U肋的焊缝焊趾处,按照板内弯曲引起的正应力幅Δσ验算,细节类别为70,故面板与U肋焊缝焊趾的允许应力幅为60.9MPa,可知16mm厚面板的等效常幅应力值远远大于该类细节的允许应力幅。

由于钢桥正交异性板面板与U肋焊缝的应力水平与面板厚度密切相关,考虑增加的面板厚度进行计算。当面板厚度为22mm时,计算可得最大等效常幅应力计算值约为59MPa,略小于规范允许应力幅60.9MPa。

3 计算结论

(1)对于本文计算的常见正交异性钢桥面板结构,面板与U肋焊缝焊趾处的最大名义应力幅在全跨范围基本相同,16mm厚的面板在与U肋焊缝焊趾处最大正应力幅均值为62MPa；考虑车辆在车道上的横向位置概率和损伤等效系数后,换算得等效常幅应力值ΔσE2均值为145MPa。

(2)依据《公路钢结构桥梁设规范》中桥面系疲劳验算的规定,面板与U肋焊缝(细节70)的允许应力幅为60.9MPa。故当正交异性钢桥面板的铺装层为柔性铺装层时,16mm厚度的面板远远不能满足规范要求；当面板厚度至少为22mm,等效常幅应力值ΔσE2约为59MPa,可满足规范要求。

[1]田启贤,高立强,杜新喜.面板结构设计对正交异性板疲劳性能的影响研究.[J].桥梁建设,2016(01)：18-23．

[2]杜青,石广玉.拉压循环载荷作用下正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹扩展分析[A].中国力学学会.力学与工程应用(十六卷)[C].中国力学学会：2016∶271-272．

[3]卜一之,杨绍林,崔闯,等.轮迹横向分布对钢桥面板疲劳应力幅的影响[J].桥梁建设,2015(02)：39-45．

[4]周慧敏.浅谈路桥工程施工中常见的施工技术[J].江西建材2016(24)：150-151．