钢桥面板纵肋与横隔板交叉细节疲劳应力有限元分析

周 维，于浩楠

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

近年来，能够智能化制造，具有轻质高强优势的正交异性钢桥面板在桥梁建设，尤其是在如苏通长江大桥、武汉青山长江大桥和港珠澳大桥等大跨径桥梁的建设中得到了广泛应用[1-2]。

正交异性钢桥面板由顶板、纵肋和横隔板三者相互焊接而成，然后将其整体焊接于主梁腹板顶部，作为主梁一部分承受轴力和弯矩作用。正交异性钢桥面板本身纵向支承于横隔板上，顶板和纵肋呈现第二体系多点支承连续梁受力特征。在纵横向轮载作用下，由于桥面板各板件相互焊接，几何构型复杂，局部应力突出，既有文献研究表明，钢桥面板疲劳问题主要受第二体系影响，且疲劳应力具有显著的局部性特征[1]。

钢桥面板由多个疲劳易损细节组成。参考相关文献统计结果[1]，纵肋与横隔板交叉细节疲劳开裂占所有开裂中的38.2%，是钢桥面板开裂比例最高的疲劳易损细节。纵肋与横隔板交叉细节具有多种疲劳开裂模式，其中裂纹萌生于纵肋围焊焊趾处的疲劳失效模式容易裂穿纵肋，形成贯穿型裂纹后，迅速沿着纵肋厚度向顶板方向发展，威胁行车安全和结构的耐久性。国内外学者对钢桥面板纵肋与顶板焊接细节研究较多，而针对纵肋与横隔板交叉细节缺少较为系统的研究。本文以某斜拉桥钢桥面板为研究背景，采用有限元数值模拟方法，在所选取疲劳节段模型的基础上，对纵肋与横隔板交叉细节的疲劳应力幅进行研究，以期提高对钢桥面板疲劳问题的认识。

1 研究对象

钢桥面板纵肋与横隔板交叉细节的疲劳失效模式见图1，该细节对应3 种疲劳失效模式：

图1 纵肋与横隔板交叉细节疲劳失效模式

失效模式Ⅰ：裂纹萌生于围焊纵肋焊趾，沿纵肋腹板扩展。

失效模式Ⅱ：裂纹萌生于围焊横隔板焊趾，沿横隔板扩展。

失效模式Ⅲ：裂纹萌生于横隔板开孔，沿横隔板扩展。

2 疲劳节段模型

以某斜拉桥桥面板为研究背景，主要参数：顶板厚度为16 mm，纵肋高×上口宽×厚度为300 mm×300 mm ×8 mm，横隔板厚度为14 mm，横隔板间距为3 m，纵肋与横隔板围焊焊脚尺寸为8 mm；钢材采用Q 345qD，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。参考文献[2-3]，横向取3 个纵肋长度、纵向取3 个横隔板间距的节段模型能够反映纵肋与横隔板交叉细节的实际受力状态。本文所选取的节段模型几何尺寸见图2。

图2 节段模型几何参数（单位：mm）

纵肋与横隔板交叉细节尺寸与应力关注点见图3。图3 中，应力关注点1 位于纵肋围焊焊趾处；应力关注点2 位于横隔板围焊焊趾处；应力关注点3 位于横隔板开孔半径为25 mm 的圆弧中点处；应力关注点4 位于横隔板开孔半径为25 cm 和73 cm 的圆弧相切处；应力关注点5 位于横隔板开孔半径为73 mm的圆弧中点处。疲劳失效模式Ⅰ对应应力关注点1，疲劳失效模式Ⅱ对应应力关注点2，疲劳失效模式Ⅲ对应应力关注点3、4、5。

图3 纵肋与横隔板交叉细节尺寸与应力关注点（单位：mm）

3 有限元模型

3.1 疲劳车荷载

参考欧洲规范（Eurocode 3）[4]（简称欧规），本文所选取的疲劳车车轮信息见图4。图4 中，单个轮载为60 kN，尺寸为40 cm×40 cm，w 为车辆横向轮廓长度。研究表明，疲劳车轮载作用下，钢桥面板疲劳应力影响范围较小，可采用单侧前后轮进行加载，因此本文考虑的疲劳车荷载情况为单侧前后轮荷载。

图4 疲劳车信息（单位：cm）

3.2 有限元模型

利用ANSYS 有限元软件，对疲劳节段模型顶板、纵肋和隔板进行离散化，得到本文所分析的有限元模型（见图5）。

图5 有限元模型

图5 中，对纵肋与横隔板交叉细节子模型进行网格加密处理，单元类型为solid95，模型其余部分采用solid45 单元。本文所关注的纵肋与横隔板交叉细节位于中间纵肋（U 2）与中间横隔板相交处靠近纵肋（U 3）方向的横隔板开孔位置。横向采用3 种加载工况进行考虑[5]，工况1：轮载位于纵肋（U 2）正上方；工况2：轮载骑跨在纵肋（U 2）上；工况3：轮载位于纵肋（U 2）与纵肋（U 3）之间。为方便计算，采用单轮加载形式，图4 所示单侧前后轮计算结果通过单轮应力影响线叠加得到。纵向加载时，加载范围从第1 跨左侧横隔板正上方开始，每100 mm 为1 个加载步长进行移动加载，直至第2 跨右侧横隔板正上方位置结束。

模型约束条件如下：模型横向两侧均约束横向位移（即X 方向），竖向约束底板竖向位移（即Y 方向），纵向一侧约束顶板和纵肋的纵向位移（即Z 方向），以模拟所选取的节段模型受到的周围梁体支承作用。

4 计算结果分析

在缺少对纵肋与横隔板交叉细节应力特点深刻认识的基础上，针对所关注的5 个应力关注点，分别提取各位置的第1 主应力σ1、第2 主应力σ2和第3主应力σ3数据，通过比较主应力数值大小，首先确定应力关注点疲劳应力幅由何种主应力控制，然后再进一步分析各应力关注点应力幅的大小，以确定该细节最大疲劳应力幅。所关注的5 个应力关注点主应力纵向应力历程见图6，其中横坐标表示单侧前后轮应力叠加后，前后轮中心位置（见图4）相对中间横隔板的距离。

图6 各应力关注点纵向应力历程曲线

研究表明：（1）各应力关注点在工况2 作用下，其疲劳应力幅最大，因此工况2 是纵肋与横隔板交叉细节最不利加载工况；（2）应力关注点1、2 受主拉应力幅控制，应力关注点3、4、5 受主压应力幅控制；（3）围焊纵肋焊趾（应力关注点1）疲劳应力幅为83.6 MPa，围焊横隔板焊趾（应力关注点2）疲劳应力幅为67.0 MPa，横隔板开孔圆弧处（应力关注点3、4、5）疲劳应力幅为120.2 MPa，小半径圆弧中心处达到最大值；（4）各应力关注点在单侧前后轮中心点作用于横隔板正上方时均达到应力峰值。

5 结语

（1）钢桥面板纵肋与横隔板交叉细节不同位置的应力特征差别较大，围焊处疲劳应力幅受主拉应力控制，横隔板开孔处受主压应力控制。

（2）在欧规疲劳车荷载作用下，所选取的疲劳节段模型中，围焊纵肋焊趾疲劳应力幅为83.6 MPa，围焊横隔板焊趾疲劳应力幅为67.0 MPa，横隔板圆弧开孔疲劳应力幅为120.2 MPa。