车轮荷载下钢箱梁疲劳构造细节应力等级评定

吉伯海赵端端傅中秋汪 锋沈丹雯

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.江苏扬子大桥股份有限公司,江苏靖江 214000; 3.苏州市交通工程质量监督站,江苏苏州 215000)

车轮荷载下钢箱梁疲劳构造细节应力等级评定

吉伯海1,赵端端1,傅中秋1,汪 锋2,沈丹雯3

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.江苏扬子大桥股份有限公司,江苏靖江 214000; 3.苏州市交通工程质量监督站,江苏苏州 215000)

针对车轮荷载作用下钢箱梁的疲劳构造细节等级评定问题,基于应力影响线,研究钢箱梁9种疲劳构造细节的局部疲劳应力。根据等效损伤原理对最大应力幅进行修正,并以此为依据划分钢箱梁疲劳构造细节。结果表明:车轮荷载对钢箱梁9种疲劳构造细节的应力影响范围均较小,横隔板与顶板、纵肋相交处的应力影响范围为横隔板间距;顶板与纵肋相交处、纵肋对接处以及顶板对接处,应力影响范围为横隔板间距的1/2。钢箱梁横隔板与纵肋相交处的修正等效应力幅最大,纵肋对接处的修正等效应力幅最小。考虑受力和施工质量,钢箱梁疲劳构造细节可划分为5个疲劳应力等级,并给出9种疲劳构造细节对应的等级。

钢箱梁;车轮荷载;疲劳构造细节;等效应力幅;疲劳应力等级

钢箱梁由于自重轻、强度高、制作施工快速等多方面的优点,在我国大、中跨度的公路和城市道路桥梁建设中得到日益广泛的应用。钢箱梁结构在运营期承受的车辆、风等动荷载循环应力会产生累积损伤,从而引发钢箱梁结构细节的疲劳开裂。大跨度桥梁大多位于江海之上,环境湿度较大,环境大气中可能含有腐蚀成分,因此钢箱梁容易发生腐蚀。对于发生腐蚀的钢箱梁,动荷载循环应力会加剧疲劳裂纹的开展,影响钢板的疲劳性能。腐蚀与疲劳两者相互影响,严重缩短了钢箱梁的使用寿命,对于腐蚀严重的钢箱梁更易发生突然的破坏,导致桥梁出现安全事故[1-3]。

现有规范大多分析钢箱梁整体疲劳程度,针对钢箱梁具体构造细节的疲劳分析较少,然而在相同的车轮荷载作用下各个细节处产生的疲劳应力大小并不相同。在评估钢箱梁疲劳等级时,若仅检测钢板外观,以疲劳裂纹发展长度作为判定疲劳程度的依据,评定出的疲劳等级不能真实地反映钢箱梁的疲劳程度。针对以上问题,笔者采用应力影响线对钢箱梁具体的疲劳构造细节进行分析,并通过泄水计数法及Miner线性等效损伤原理对最大应力幅进行修正,得到钢箱梁疲劳构造细节的修正等效应力幅,以此为依据将钢箱梁疲劳构造细节划分为5个疲劳应力等级,最终评估出钢箱梁易疲劳构造细节的疲劳等级。

1 钢箱梁节段有限元模型

某在役大跨径桥梁跨中节段的钢箱梁宽度为32.8 m,顶板厚度为14 mm,U肋厚度为8 mm,横隔板厚度为8 mm,间距为1.75 m。跨中节段钢箱梁截面构造见图1。

为了节省计算空间,提高计算效率,利用有限元分析软件建立了钢箱梁跨中节段的桥面板简化计算模型[4]:取桥面板长14 m,桥面板宽4.5 m,5道横隔板,横隔板间距1.75 m,7条加劲肋。钢桥面板简化模型采用shell63壳单元模拟,网格尺寸为0.2 m×0.2 m,疲劳构造细节位置进行局部细化,网格尺寸为0.01 m×0.01 m,桥面板简化的几何模型如图2所示。简化模型中的横隔板边界条件,除了横隔板自身与顶板之间的固接,横隔板剩余的3个边界处各节点设置3个平动自由度与3个转动自由度。约束顶板节点处的3个平动自由度。

2 车轮荷载施加

由于钢桥面板的纵向、横向荷载移动线较短,在钢桥面板的应力幅计算中可以忽略车轮作用的相互影响。因此,本文不考虑多车效应导致的应力幅叠加效应,在顺桥向、横桥向仅考虑单个车轮的作用效应[5]。

车辆在行驶过程中会偏离轮迹中心线,产生车轮轮迹的横向分布。国内外对车轮轮迹横向分布均开展了相关研究[6-7],本文基于崔冰等[8]研究的虎门大桥车轮轨迹统计分析结果,假定横桥向以150 mm为一种分布情况,各位置车轮轮迹横向分布概率如图3所示。为方便计算,取车轮荷载为100 kN。

3 钢箱梁疲劳构造细节应力等级划分

3.1 应力影响线

根据国内外学者对钢箱梁疲劳构造细节的研究资料,本文总结并划分出钢箱梁易产生疲劳裂纹的9个疲劳构造细节,用编号A～H表示,并给出了位置描述,见表1。其中,细节A、B的疲劳裂纹一般出现在顶板并沿纵桥向发展,根据国际焊接协会IIW推荐,取距离焊缝1.5t(t为顶板厚度)处作为横向应力取值位置[9]。细节F的裂纹多产生在顶板及焊缝内部,选取2条纵肋间顶板距离横隔板5mm处作为纵向应力参考点[10-11]。

车轮荷载采用单轮和双轮2种加载方式,车轮的横向加载位置如图4所示,P1′、P2′、P3′、P4′(Q1′、Q2′、Q3′、Q4′)分别与P1、P2、P3、P4(Q1、Q2、Q3、Q4)关于轮迹中心线对称,图中没有具体画出,轮迹中心线位于纵肋的中心(0号位置)。通过有限元可以绘出各个疲劳构造细节在车轮作用下的应力影响线。本文仅列出疲劳构造细节A、B在单轮和双轮作用下的应力影响线,如图5和图6所示。

观察9个疲劳构造细节顺桥方向的应力影响线可知,车轮荷载作用产生应力的范围均较小。对于疲劳构造细节A,在单轮、双轮作用下其最大的应力峰值在顺桥向均位于横隔板所在断面,当车轮位置与疲劳构造细节计算位置的纵向距离大于横隔板的间距时(＞1.75 m),车轮荷载对细节产生的应力很小或几乎为零。细节C、D和F的最大应力峰值及位置与细节A基本一致。

对于疲劳构造细节B,在单轮与双轮作用下其最大应力峰值在顺桥向均位于2个横隔板的中间,当车轮位置与疲劳构造细节计算位置的纵向距离大于横隔板间距的1/2时(＞0.875 m),车轮荷载对细节产生的应力很小或几乎为零。细节E、G1、G2和H的最大应力峰值及位置与细节B基本一致。

3.2 修正等效应力幅

国内外规范中疲劳车轮荷载模型有很多,本文采用中交路桥技术有限公司推导的适合我国公路钢桥设计的标准疲劳车辆模型,该标准疲劳车轮荷载的轴距最小值为1.4 m[12-16]。根据各细节的应力影响线得到对应的计算应力幅,表2分别列出了细节A和B的应力幅。按图4中车轮轮迹横向分布情况对计算应力幅进行车轮轮迹修正,得到轮迹修正系数见表3。

由表3可知,细节G1和G2的最大应力幅和修正应力幅均相差很小,因此两者无需分别考虑,统一称为桥面板横向对接细节G,且采用应力值较大的细节G1的应力幅作为参考依据。

根据疲劳构造细节应力影响线,采用泄水计数法提取疲劳构造细节的应力幅与应力循环次数,剔除较小的应力循环。将疲劳构造细节应力幅按Miner线性等效损伤原理计算等效应力幅,等效应力幅计算公式为

式中:Δσeq——等效应力幅;n——应力循环次数;ni——第i级应力幅对应的应力循环次数;Δσi——第i级应力幅;m——S-N曲线的斜率参数,一般取3.0。

对式(1)计算得到的等效应力幅进行车轮轮迹修正,表4为1～6轴车疲劳车辆在单轮和双轮作用下钢箱梁各疲劳构造细节横向最不利加载对应的计算应力幅及修正等效应力幅。由于本文仅需得到车轮荷载下各疲劳构造细节应力幅的相对比值,因此可以忽略冲击系数修正。

由表4可知,8种疲劳构造细节中,细节D在疲劳车轮荷载下产生的应力最大,细节E最小。表3和表4计算得到的修正等效应力幅在一定程度上反映了钢箱梁典型疲劳构造细节的相对易疲劳程度。

3.3 疲劳构造细节应力等级划分

对比分析表4中各疲劳构造细节的修正等效应力幅,以各细节中最大的修正应力幅值为分母,该细节的修正应力幅值为分子,计算得单轮、双轮的相对应力幅,见表5。表中第4列和第5列为5倍的相对应力幅值,数值均在1.00～5.00的范围内,对单轮、双轮的平均值采用四舍五入法则,并以此数值结果作为各疲劳构造细节的赋分依据,作为评定等级。

疲劳构造细节分为5个等级,分别对应分值1、2、3、4和5。由于细节E处在工程中只能采用仰焊的焊接方式,其焊接质量相对其他细节难以保证,因此将该细节提高一个等级,评分值改为3。

4 结 论

a.车轮荷载对钢箱梁9种疲劳构造细节的应力影响范围均较小。横隔板与顶板、纵肋相交处,应力影响范围为横隔板间距(1.75m),且最大应力峰值在纵桥向位于横隔板所在断面。顶板与纵肋相交处、纵肋对接处以及顶板对接处,应力影响范围为相邻横隔板间距的1/2(即0.875 m),且最大应力峰值在纵桥向位于两个横隔板的中间。

b.在车轮荷载作用下,横隔板与纵肋相交处的横隔板产生的应力最大,纵肋对接处的纵肋产生的应力最小,其余疲劳构造细节处的应力大小基本一致。单轮作用下产生的疲劳构造细节应力大于双轮作用下产生的疲劳构造细节应力。

c.根据我国疲劳车轮荷载模型,以有限元计算得出钢箱梁9种疲劳构造细节的修正等效应力幅为依据,将疲劳构造细节应力等级划分为5级,并给出了9种疲劳构造细节对应的等级。但由于纵肋对接处需要仰焊,所以将纵肋对接处的疲劳构造细节应力等级提高一级。

[1]FISHER J W,ROY S.Fatigue of steel bridge infrastructure[J].Structure and Infrastructure Engineering,2011,7(8):457-475.

[2]钱冬生.谈谈钢桥的疲劳和断裂[J].桥梁建设,2009(3):12-21(QIAN Dongsheng.Talk about steel bridge fatigue and fracture [J].Journal of bridge construction,2009(3):12-21.(in Chinese))

[3]SONG Yongsheng,DING Youliang.Fatigue monitoring and analysis of orthotropic steel deck considering traffic volume and ambient temperature[J].Science China:Technological Sciences,2013,56:1758-1766.

[4]徐军,陈忠延.正交异性钢桥面板的结构分析[J].同济大学学报:自然科学版,1999,27(2):170-174.(XU Jun,CHEN Zhongyan.Analysis of orthotropic steel bridge deck structure[J].Journal of Tongji University:Natural Science,1999,27(2): 170-174.(in Chinese))

[5]JI Bohai,CHEN Donghua,MA Lin,et al.Research on stress spectrum of steel decks in suspension bridge considering measuredtraffic flow[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2012,26(1):65-75.

[6]崔冰,吴冲,丁文俊,等.车轮轮迹线位置对钢桥面板疲劳应力幅的影响[J].建筑科学与工程学报,2010,27(3):19-23.(CUI Bing,WU Chong,DING Wenjun,et al.The influence of the wheel trace position influence to fatigue stress amplitude of steel bridge deck[J].Journal of Building Science and Engineering,2010,27(3):19-23.(in Chinese))

[7]IIW document XIII-2151r1-07/XV-1254r1-07—2007 Recommendations for fatigue design of welded joints and components[S]

[8]崔冰,吴冲,丁文俊,等.车轮轮迹线位置对钢桥面板疲劳应力幅的影响[J].建筑科学与工程学报,2010,27(3):19-23.(CUI Bing,WU Chong,DING Wenjun,et al.Influence of acting position of vehicle wheels on fatigue stress range of steel deck [J].Journal of Architecture and Civil Engineering,2010,27(3):19-23.(in Chinese))

[9]EN 1993-2:2006 Eurocode 3:design of steel structures.Part 2:steel bridges[S].

[10]张东波.正交异性钢桥面板疲劳性能研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[11]XIAO Z G,YAMADA K,YA S,et al.Stress analyses and fatigue evaluation of rib-to-deck joints in steel orthotropic decks[J].Int J Fatigue,2008,30(8):1387-1397.

[12]EN 1993-1-9:2005 Eurocode 3:design of steel structures.Part 1.9:fatigue[S].

[13]周泳涛,鲍卫刚,翟辉,等.公路钢桥疲劳设计荷载标准研究[J].土木工程学报,2010,43(11):79-85.(ZHOU Yongtao, BAO Weigang,ZHAI Hui,et al.The research of highway steel bridge fatigue vehicle load standard[J].China Civil Engineering Journal,2010,43(11):79-85.(in Chinese))

[14]杨美良,李波,张建仁.车辆荷载作用下部分斜拉桥拉索疲劳可靠度研究[J].公路交通科技,2007,24(12):66-68.(YANG Meiliang,LI Bo,ZHANG Jianren.Fatigue reliability research of partically cable-stayed bridge under vehicle load cable [J].Highway Traffic Science and Technology,2007,24(12):66-68.(in Chinese))

[15]王荣辉,池春,陈庆中.广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究[J].华南理工大学学报,2004,32(12):94-96.(WANG Ronghui,CHI Chun,CHEN Qinzhong.The study of Guangzhou viaduct fatigue load vehicle model[J].Journal of South China University of Technology,2004,32(12):94-96.(in Chinese))

[16]童乐为,沈祖炎,陈忠延.城市道路桥梁的疲劳荷载谱[J].土木工程学报,1997,30(5):20-27.(TONG Lewei,SHEN Zuyan,CHEN Zhongyan.Fatigue load spectrum urban road bridges[J].China Civil Engineer Journal,1997,30(5):20-27.(in Chinese))

Fatigue stress level evaluation of structural details of steel box girder under wheel load

JI Bohai1,ZHAO Duanduan1,FU Zhongqiu1,WANG Feng2,SHEN Danwen3
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Jiangsu Yangtze River Bridge Co.,Ltd.,Jingjiang 214000,China; 3.Suzhou City Traffic Engineering Quality Surveillance,Suzhou 215000,China)

In order to evaluate the fatigue stress level of the structural details of a steel box girder under the wheel load,the local fatigue stress of nine structural details were studied based on the stress influence line.The greatest stress amplitude was corrected according to the principle of damage equivalence,and the structural details of the steel box girder were divided.The results show that the vehicle load has little influence on the fatigue stress of the nine structural details of the steel box girder.At the intersection of the diaphragm plate,the roof,and the longitudinal rib,the influence on the stress occurred in the interval of the diaphragm plate.At the intersection of the diaphragm plate and the longitudinal rib,and at longitudinal rib joints and roof joints,the influence on the stress occurred at half of the interval of the diaphragm plate.The corrected equivalent stress amplitude was the greatest at the joint of the diaphragm plate and the longitudinal rib,and the smallest at longitudinal rib joints.With consideration of stress and construction quality,the fatigue stress of the structural details of the steel box girder can be classified into five levels,and the corresponding levels of the nine fatigue structural details are also provided.

steel box girder;wheel load;fatigue structural details;equivalent stress amplitude;fatigue stress level

U441+.5

:A

:1000-1980(2014)05-0416-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.008

2013-09 25

国家自然科学基金(51278166);高等学校博士学科点专项科研基金(20120094110009);江苏省交通科学研究计划(2011Y09-1, 2012Y13)

吉伯海(1966—),男,江苏扬州人,教授,博士,主要从事钢桥疲劳与维护研究。E-mail:hhbhji@163.com