铺装层对钢桥面板纵肋连接细节疲劳性能的影响

邓 斌

(广东华路交通科技有限公司,广东 广州 510420)

0 引言

钢桥面板能够进行工厂化加工制造,同时自重轻,在桥梁建设中的应用较为广泛。随着钢结构焊接工艺和检测手段的不断提高,钢桥面板各类焊缝焊接质量得到一定的保障,钢桥面板已成为装配化和工业化建造的典型结构。焊缝众多、板件连接复杂、外在荷载环境不确定等因素导致钢桥面板疲劳问题日益突出,多个连接细节出现了大量的疲劳裂纹。传统的应变片易老化失效,超声波和相控阵等裂纹检测技术难以量化应用,目前尚无有效手段对实桥疲劳裂纹进行全天候、大面积的实时监测与检测,因此,对钢桥面板疲劳性能进行基础性研究,是改善焊接接头几何构造参数和提高认知的重要手段之一。

面板纵肋连接细节是钢桥面板疲劳应力的薄弱部位,该细节一旦发生疲劳开裂,裂纹发展至铺装层后,桥面雨水易渗入纵肋造成钢桥面板锈蚀,同时疲劳开裂造成面板刚度降低,不利于行车安全。王春生[1-2]基于模型试验对钢桥面板典型的焊接接头疲劳强度问题进行了研究;周绪红[3]等基于名义应力评估方法对钢桥面板焊根处的疲劳损伤进行了数值分析及对比研究;刘益铭[4]等基于断裂力学评估方法对钢桥面板典型构造细节疲劳寿命及裂纹扩展特性进行了深入研究;余航[5]等基于结构应力评估方法对钢桥面板多细节体系疲劳问题进行了研究;罗鹏军[6]等基于切口应力评估方法对面板纵肋单面焊和新型双面焊疲劳应力进行了对比分析。针对钢桥面板典型构造细节疲劳评估方法相关研究中对于疲劳应力的取值点存在一定的局限性,热点应力评估方法综合考虑了裂纹萌生点和焊缝几何参数的影响,该评估方法理论体系较为成熟,适用于钢桥面板纵肋连接细节的疲劳性能分析。现行钢桥设计规范中对疲劳应力验算是否考虑铺装层的作用缺少相关描述[7-8],由于铺装层材料刚度远小于顶板,大多研究文献偏安全不考虑铺装的联合作用,可能增加桥梁工程造价。

本文结合热点应力评估方法,考虑铺装层的影响对钢桥面板纵肋疲劳应力进行分析,为类似结构的相关设计提供参考。

1 面板纵肋连接细节

钢桥面板具有多个连接构造细节,体系疲劳抗力由多个连接构造细节共同决定,其中,面板纵肋连接细节尤为重要。目前对该细节的研究较多,主要基于疲劳抗力、裂纹扩展特性、新型接头形式等展开,大多忽略了铺装层的影响,不能够全面认识该细节的疲劳性能。目前钢桥面板纵肋双面焊进行了一定的推广应用,疲劳性能优于传统的单面焊。本文主要分析双面焊形式,该细节如图1所示。

图1 钢桥面板纵肋连接细节

相关文献[6]研究表明:当焊缝熔透率不低于75%时,钢桥面板纵肋连接细节具有2种典型的疲劳开裂模式:开裂Ⅰ为裂纹从内焊焊趾处起裂,向铺装层方向开裂;开裂Ⅱ为裂纹从外侧熔透焊焊趾处起裂,向铺装层方向开裂。本文综合考虑两种开裂模式的影响。

2 疲劳节段几何尺寸

某高速公路大跨径斜拉桥的主梁采用钢桥面板形式,面板纵肋采用双面焊焊接接头。慢车道面板厚度为18mm,快车道为16mm,其余板件厚度一致。横隔板间距为2 000mm,纵肋高度为280mm。横隔板采用圆弧开孔形式,横隔板厚度为14mm。双面焊内焊在工厂内通过焊接机器人进行焊接,外侧焊缝熔透率为75%。参考钢桥面板典型构造细节影响面分布规律[3],选取横向4纵肋、纵向3跨横隔板为疲劳节段几何模型。几何模型尺寸与双面焊构造参数如图2所示,其中关注位置位于第二跨跨中第2条纵肋(U2)右上方处。

图2 疲劳节段几何尺寸(单位:mm)

3 热点应力评估方法

疲劳裂纹萌生点也成为疲劳热点。热点应力早期计算时,通常取距离焊趾一定距离处的应力为热点应力,该取值方法受网格和单元类型的影响较大。随着疲劳问题研究的深入,表面外推法逐渐由管节点计算向焊接构件发展,不同规范给出了热点应力的计算方法,大多通过取值点线性或者二次外推得到。国际焊接协会(IIW)给出了热点应力计算方法,第一种计算方法实用性较强,第二种计算方法对单元类型和精度的要求较高。本文采用第一种计算方法,该方法热点应力取值点分别取距离焊趾0.4t处的应力σ0.4t和距离焊趾1.0t处的应力σ1.0t(t为面板厚度),然后通过线性外推计算焊趾处的热点应力。σ0.4t和σ1.0t均可通过有限元模型提取得到。结合本文分析对象,热点应力计算图示如图3所示。

图3 IIW热点应力第一种计算方法图示

钢桥面板纵肋连接细节焊趾处热点应力σhs由式(1)计算得到。

σhs=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

4 有限元模型

分别建立不含铺装层、含铺装层两种有限元模型,铺装层材料为环氧沥青混凝土。由于桥面铺装相对于面板而言,刚度较小,大多研究中忽略了铺装层的作用,分析结果偏于不利,可能导致疲劳应力过大。本文考虑铺装层的作用,以准确反映面板纵肋连接细节的疲劳性能。由于沥青材料受稳定影响较大,根据统计结果,环氧沥青混凝土不同季节的材料参数见表1。

表1 环氧沥青混凝土材料参数

钢桥面板疲劳问题与轮载密切相关,相关研究表明典型构造细节的疲劳损伤在欧规标准疲劳车轮载作用下更为严重[9]。本文以欧规标准疲劳车轮载作为疲劳荷载[8]。由于面板纵肋连接细节横向影响线较短,加载时仅考虑单侧前后轮的影响,加载轮载如图4所示,轮载大小为60kN。有限元模型中为加载方便,仅考虑单个轮载进行纵向移动加载,前后轮共同作用通过影响线线性叠加得到。

图4 标准疲劳车及加载轮载(单位:mm)

采用子模型技术建立关注位置面板纵肋局部子模型,单元类型为二次实体元,子模型以外区域采用线性实体元,以提高计算精度。子模型热点应力取值点设置节点,并细化网格尺寸。根据节段几何模型在实桥中的约束情况,分别对模型横向两侧顶板、竖向横隔板底部进行横向、竖向约束,对模型纵向一侧的悬臂端顶板和纵肋进行纵向约束。横向加载位置为U2右侧腹板正上方位置,纵向移动加载,加载步长为100mm,由于模型对称,取荷载步为31步。不考虑铺装与钢桥面板之间的粘结滑移作用,所建立的有限元模型如图5所示。

图5 有限元模型

5 计算结果分析

5.1 不同季节影响的分析

不同季节下铺装层材料弹性模量具有明显的差别,为探究铺装层材料本身对钢桥面板纵肋连接细节疲劳性能的影响,分别计算了表1中的三种情形。焊接残余应力一般为状态量,对疲劳应力幅基本无影响。从疲劳裂纹开裂模式可知,双面焊焊接接头焊趾主要受垂直裂纹面的应力作用,当不考虑焊接残余应力时,经应力计算结果分析,该位置的疲劳代表应力为主压应力。以图4所示作用位置处于第二跨跨中时为坐标原点,得到轮载作用下内侧焊趾和外侧焊趾热点应力历程曲线,如图6所示。

图6 不同季节热点应力历程

计算结果表明:(1)对于钢桥面板纵肋连接细节而言,不同季节下铺装层材料对内侧焊趾和外侧焊趾热点应力影响均较大,其中夏季由于铺装层材料弹性模量降低,热点应力幅最大。(2)对于夏季而言,内侧焊趾热点应力幅为26.0MPa,外侧焊趾热点应力幅为36.7MPa,冬季热点应力幅水平较低,可以忽略。就焊缝位置而言,外侧焊缝热点应力幅较大,是双面焊焊接接头分析的重点。该分析结果进一步表明双面焊焊接接头使得潜在的疲劳裂纹由单面焊焊根迁移至双面焊外侧焊趾,双面焊焊接接头有利于疲劳裂纹的检测。

5.2 不考虑铺装作用的分析

夏季铺装层作用下钢桥面板纵肋连接细节热点应力幅最大,以该季节为分析对象,钢板材料参数基本不受季节影响。此处考虑有铺装、无铺装两种情形,对内侧焊趾和外侧焊趾热点应力历程进行分析,如图7所示。

图7 有无铺装热点应力历程

分析结果表明:铺装层对钢桥面板纵肋连接细节的疲劳性能影响较大。对于内侧焊趾而言,不考虑铺装后,热点应力幅由26.0MPa增加到33.7MPa,增幅29.6%;对于外侧焊趾而言,不考虑铺装层后,热点应力幅由36.7MPa增加到45.3MPa,增幅23.4%。铺装能够有效降低钢桥面板纵肋连接细节应力幅,其中内侧焊趾应力幅降低幅度较大。钢桥面板在施工桥面铺装时应尽量增强面板与铺装的粘结力,使铺装能够参与桥面板的受力。

根据本文分析结果,在疲劳设计时建议应按最不利季节考虑铺装层的作用,此时实桥疲劳累计损伤度可控制在不考虑铺装层和按照不同季节实际所受的疲劳损伤之间,此种情形下,既能保障实桥工程造价合理可控,又能使疲劳应力幅具有一定的安全度。目前该桥已运行多年,桥梁技术状况良好,未出现疲劳裂纹。

6 结论

以钢桥面板纵肋连接细节为研究对象,采用热点应力评估方法对双面焊内侧焊趾和外侧焊趾的疲劳应力幅进行了分析。主要结论:

(1)不同季节铺装材料对钢桥面板纵肋连接细节疲劳性能影响较大,夏季时疲劳应力幅相对较高、冬季最小。

(2)不考虑铺装对于钢桥面板纵肋连接细节的疲劳计算偏于不利。在本文模型尺寸条件下,不考虑铺装将使主导疲劳失效模式处的疲劳应力幅增加23.4%。建议疲劳计算时应结合铺装材料特性及其与钢桥面板的粘结情况,进行综合考虑。