钢桥面板U肋与横隔板不同连接缺口形式受力分析

陈佳琪

(中铁建云南交通建设管理有限公司 云南昆明 650000)

1 引言

随着我国经济和科技发展，桥梁用钢量和性能都有了很大提升，进一步促进了大跨度钢桥的设计建造。钢桥相比于混凝土桥，具有质量轻、跨越能力大、加工性能好、易于修复和更换、方便回收利用等优点。近年来国内修建了众多的大跨度桥梁，如港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥、大胜关长江大桥、朝天门长江大桥等。钢桥的连接经历了传统的铆接、栓接到目前常用的焊接技术。当前钢桥的主要建造方式大多为既有场内焊接节段模型，运到桥位现场后再通过栓接或者焊接完成成桥状态的连接[1－3]。

然而钢桥由于其结合构造复杂，焊接处通常会出现不同程度的焊接缺陷或焊接残余应力，在车辆等动荷载作用下易发生疲劳开裂，进而引发灾难性事故[4－7]。例如:1877年美国 Ashtabula钢桁梁桥突然断裂，其原因是由于桥梁局部构件疲劳破坏所致。英国Seven桥于1966年建成，桥梁的封头板与纵肋下缘焊连处、纵肋和横梁角焊缝连接处端头在通车五年后出现多处开裂现象，后续再次发现多处角焊缝(纵肋边缘与桥面板连接处、U肋与横梁连接处)以及U肋与横隔板焊缝处等部位出现了不同程度的裂纹。1994年韩国圣水大桥，由于支撑材料疲劳腐蚀而引发局部桥体断裂，最终坠落，桥上多辆汽车因此坠入江中，造成巨大的经济损失和人员伤亡。1995年中国广州市海印大桥在运营7年后发生斜拉索脆断事故，其原因是由于钢索出现了严重的锈蚀现象，在外部车辆循环荷载的作用下引发疲劳破坏。2001年中国宜宾市小南门桥也不幸发生了桥面断落坍塌事故，事故原因是由于局部构造细节的疲劳断裂所致。2001年美国密尔沃基市的Daniel Webster Hoan Bridge引桥发生了断裂事故，事故原因也是局部疲劳破坏所致。从上述事例可以发现，疲劳破坏是引发桥梁钢结构断裂事故的主要原因之一。钢桥所受应力幅和构造细节是疲劳设计最为关注的两个要点。

正交异性钢桥面板具有良好的整体受力性能，质量轻、便于建造，目前被广泛应用于各式桥梁结构中(见图1)。已有研究发现，正交异性钢桥面板由于焊缝较为密集，并且长期承受反复的交通荷载作用，在应力集中最敏感的部位(桥面、横梁和纵向加劲肋三者相交位置)很容易产生疲劳裂纹。其中纵肋与横隔板构造细节上有两处最容易发生开裂[8－9]:(1)纵肋横隔板连接的焊趾处；(2)靠近焊趾的缺口处。在实际钢桥设计中，出于焊接施工等技术环节的要求，对于U肋与横隔板连接处的缺口形式呈现多样化现象。而对于不同缺口引发的局部构造细节的应力集中现象，目前却很少有人进行系统分析研究。鉴于此，本文采用有限元软件ABAQUS系统分析了钢箱梁U肋与横隔板连接处分别采用不同缺口形式后对连接处应力集中的影响，以此来进一步指导缺口形式的优化设计。

图1 正交异性钢桥面板总体构造

2 有限元模型

(1)模型细节

详细的有限元分析计算过程在商用有限元软件ABAQUS/EXPLICIT模块中进行[10]。鉴于模型的对称性，为了节约计算成本，建立钢箱梁的四分之一有限元模型，见图2。实际钢箱梁桥几何模型的尺寸为长12 000 mm、宽4 000 mm、高2 000 mm，翼缘长200 mm，U型纵肋间距为150 mm。面板、腹板以及底板厚度为16 mm，横隔板间距为800 mm，厚度为10 mm。为便于对比分析，分别建立两种不同的几何细节模型，主要体现在U肋与横隔板连接处下方缺口的形式不同，模型采用工程上常见缺口细节，见图3。模型一:缺口为圆弧形过渡；模型二:缺口为比较常见的苹果形。单元类型采用四面体单元C3D4。为了有效捕捉缺口细节周边的应力梯度同时兼顾计算效率，在U肋与横隔板的连接处进行网格细化，其余远离构造细节部位的网格较为稀疏[11]。

图2 钢箱梁四分之一有限元模型

图3 U肋与横隔板连接缺口细部

(2)约束与加载模式

钢箱梁采用Q345q钢板进行焊接，在分析计算时材料模型采用理想弹塑性本构模型，弹性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3，屈服应力为345 MPa。在模型的对称边界上X方向和Z方向分别施加对称约束，端部约束Z方向位移，以防止结构发生刚体位移。

如前所述，钢箱梁结构的构造细节与其疲劳寿命息息相关。为了能够反映钢箱梁真实的受力状态，文中的加载工况参阅了英国公路桥梁规范BS5400[12]。该规范给出了常见的25种车辆荷载的重量、轴位和出现的频率，其中习惯把4A-H类车辆作为疲劳荷载的车辆模型，通常被定义为标准疲劳车。如图4a所示，该疲劳荷载车辆总重为320 kN，每个轴重为80 kN，左右相邻轴间距为1 800 mm，中间轴距为6 000 mm。

图4 英国公路桥梁标准疲劳车辆模型(单位：mm)

图4a中任意一个轴上都分配有4个车轮(左右各两个)，因此平均到每个轮子上的重量为20 kN。图4b中相邻轮子间距为100 mm，中间轮距为1 800 mm，对应每个轮子实际与桥面板的接触面积为200×200 mm。若每个轮子上的作用力为20 kN，可求出单位面积上的均布荷载为0.5 MPa。

由于在实际计算分析时仅仅建立了四分之一钢箱梁有限元模型，所以整辆疲劳车在实际模型上的车轮有4个，在模型上的加载分布情况见图5。图5中的4个小正方形部位承受均布荷载0.5 MPa，加载部位几何尺寸和位置参照图4布置。文中未考虑汽车的冲击效应，仅进行了静力加载条件下的分析计算。

图5 实际模型加载示意

3 计算结果分析

现有的研究成果中关于疲劳寿命预测评估的模型有很多种，如基于应力的计算模型、基于应变的计算模型、基于能量的应变模型等。在钢箱梁疲劳设计中，通常基于应力计算模型来进行计算，最大主应力准则是较常用裂纹起始准则。

计算完成后提取计算结果。分析可知，U肋与横隔板连接处缺口的最大主应力出现在支座处，其原因是由于车轮的加载位置靠近支座，以及与支座处的约束较大有关。图6给出了两种不同缺口模型的应力云图。从图中可以很清晰地看出圆弧形缺口由于其本身存在几何上的不规则(存在尖角)，致使其在焊趾处有明显的应力集中现象，最大主应力出现在横隔板的尖角位置，同时该处也是实际结构中容易产生疲劳裂纹的部位；常用的苹果型缺口模型整体水平应力分布比较均匀，缺口处的最大应力发生在缺口上部圆弧的中间位置，将应力集中位置成功转移，从而远离了易发生疲劳的焊趾处。应力云图中二者的最大主应力出现的位置和数值也不相同。

图6 不同缺口模型应力云图

提取苹果形缺口的起始和终端处圆弧中心以及焊趾处的最大主应力并绘制成图，见图7a。其中横坐标从1～7对应应力云图中的位置编号。沿钢桥横向从跨中到外侧苹果形缺口对应位置的圆弧处最大主应力有减小的趋势，在第三和第五个点处的波动是由于靠近加载车轮位置所引起。焊趾处的最大主应力基本趋于稳定，并且相比于圆弧处的主应力较小，说明这种构造形式将应力集中位置进行了转移。

图7b对比了苹果形缺口和圆弧形缺口焊趾处的最大主应力，可以发现弧形缺口和苹果形缺口在同一位置处最大主应力在数值上差距不是很大，但圆弧形缺口对于加载位置比较敏感，同样在靠近加载位置的观测点主应力数值有较大波动。可见，实际工程中苹果形缺口更具有实用优势。

图7 最大主应力随位置变化曲线

4 结论

本文对不同缺口的U肋与横隔板构造细节模型进行有限元分析，考虑实际疲劳荷载加载模式，通过对应力云图和所关注位置最大主应力进行对比分析后，可得出以下结论:

(1)U肋与横隔板连接处采用苹果形缺口形式可以较好地将应力的最大值位置进行转移，从而避开了容易疲劳起裂的焊趾处；另外使得横隔板其平面上的受力更加均匀，减小应力集中。

(2)圆弧形缺口在焊趾处更容易导致应力集中，并且对于加载位置更为敏感，使得其最大主应力出现波动。

(3)在实际钢桥疲劳设计时，需要重点关注各个疲劳细节的几何特征，相关计算方法和结论可进一步指导钢箱梁的优化设计和制造过程。