正交异性钢桥面板顶板纵向疲劳开裂有限元分析

朱丽

摘 要：本文研究了钢箱梁正交异性桥面板顶板，分析了正交异性钢桥面板顶板与U型纵肋连接处的受力特征。车轮荷载在顶板处产生较大的局部面外弯曲应力，而焊接部位有初始损伤，且存在较大的应力集中，因此顶板纵肋连接处易出现纵向疲劳开裂。因此，使用ABAQUS有限元软件建立正交异性钢桥面板的整体数值计算模型，并分析了其受力特征。

关键词：正交异性钢桥面板;疲劳开裂;有限元

中图分类号：U441.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0132-02

Abstract： In this paper， the stress properties of the top deck and U-shaped longitudinal rib connection of orthotropic steel deck were studied. Wheel load will produce a large local external bending stress at the top of the deck， while the welding has initial damage and exists stress concentration， so the longitudinal fatigue cracking is prone to occur. In this paper， the numerical calculation model of orthotropic steel bridge deck was established by ABAQUS finite element software， and its stress characteristics were analyzed.

Keywords： orthogonal steel bridge panel;fatigue cracking;finite element

正交异性钢桥面板直接承受车轮荷载的作用，具有较短的影响线，且焊接连接较多，存在焊接残余应力和应力集中，易产生疲劳开裂。正交异性钢桥面板的疲劳开裂会引起铺装病害，影响行车的舒适度和安全性。如果放任疲劳裂缝发展，则可能危及结构的安全[1]。顶板的开裂有两种形式，一种是从焊根处萌生，另一种是从焊趾处萌生。本文采用有限元的方式分析正交异性钢桥面板顶板纵肋连接处的应力[2]。具体地，以某桥钢箱梁正交异性桥面板顶板为研究对象，钢主梁采用Q345QD钢材，纵肋为U型肋，面板厚度16mm，U型肋厚8mm，高300mm，顶板处宽300mm，U型肋之间中心间距600mm。

1 有限元应力分析

1.1 有限元模型

使用ABAQUS有限元软件建立顶板模型，如图1所示。采用4节点减缩积分单元，模型网格最小尺寸为25mm×25mm，设在中间位置;其余部位的网格尺寸适当放大，以减小模型，加快计算速度。考虑纵向未建模部分对顶板的约束作用，顶板纵向边缘约束竖向位移。横隔板两端约束竖向和横桥向的位移，以及绕竖向和绕纵桥向的扭转约束。节段两端的顶板约束纵桥向的位移，以及绕横桥向和绕竖向的扭转约束。

荷载采用公路Ⅰ级车辆荷载标准值，考虑冲击系数为0.05。施加的车轮荷载为：前轮15.75kN、面积0.3m×0.2m的分布力;后轮73.5kN、面积0.6m×0.2m的分布力。不考慮铺装层受力扩散的作用。施加的荷载为移动荷载，荷载横向分布根据大小和位置分为6种，如图2所示。

1.2 计算结果

顶板承受车辆荷载时，剪应力很小，顶板的主应力方向基本与正应力方向一致，顶板的纵向开裂由横向正应力控制。提取网络底面积分点处的应力，距纵肋顶板连接处12.5mm。纵肋外部的点可看作焊趾处的名义应力，纵肋内部的点可看作焊跟处的名义应力。

由计算结果可知，顶板上、下底面的应力平均值基本为零，基本无面内拉伸应力，所以顶板应力主要由面外弯矩产生。横向应力在大概1.2m处衰减近似为0。规范两个车的车轮横向最小距离为1.3m，所以横向多车轮的影响可忽略不计。

kl荷载作用（位置及分布见图2）下，焊根处两个横隔板间0/8、1/8、2/8、3/8及4/8分点处的影响线，如图3所示。

由图3可知，荷载位置处（即相应的0/8、1/8、2/8、3/8及4/8分点处）的应力达到最大值。根据雨流计数法，大部分情况下，单个车轮荷载作用下产生两次应力循环——一次较大的应力循环和一次较小的应力循环。纵向两车轮的间距小于约0.5m时，引起较大应力循环幅值的增加。日常生活中，车轮的纵向轴距远大于0.5m，所以不考虑纵向车轮的叠加效应。

2 结语

通过有限元分析可知，顶板的应力主要由面外弯矩产生，横向多车轮及纵向多车轮的影响可忽略不计。单个车轮荷载作用下，基本产生两次应力循环——一次较大的应力循环和一次较小的应力循环。

参考文献：

[1]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]Ya S，Yamada K，Ishikawa T.Fatigue Evaluation of Rib-to-Deck Welded Joints of Orthotropic Steel Bridge Deck[J].Journal of Bridge Engineering，2010（4）：492-499.