正交异性钢桥面板疲劳损伤有限元分析

邓平郎，王学敏，刘建军，陈旭

摘 要：复杂的受力特性和结构体系决定疲劳损伤是正交异性钢桥面板的发展和应用所面临的重大难题。目前我国已建成的许多座正交异性钢桥面板桥梁出现了不同程度的疲劳损伤，桥面板的疲劳损伤影响桥梁耐久性与安全性。为此，本文利用ANSYS建立正交异性钢桥面板的局部精细化有限元模型，进行疲劳细节部位的应力分析。对比分析桥面板各个易损部位在开裂前、后及修复加固后的受力特性，结果表明粘贴角钢的修复加固技术能有效地降低局部应力以阻止疲劳裂纹的扩展，为此类桥梁疲劳裂纹的修复提供一定参考。

关键词：正交异性钢桥面板;疲劳损伤;修复加固;ANSYS;有限元

中图分类号：U44            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）12-0108-02

1引言

正交异性钢桥面板是由纵桥向与横桥向加劲肋跟顶板焊接而成，共同承担车辆荷载的桥面结构，因其具有承载能力大、自重轻、施工周期短、造型美观等优点，在现代大、中跨径桥梁工程中得到了广泛应用。除了优点以外，正交异性钢桥面板结构的疲劳问题也较为突出[1]。近几十年来，国内修建了大量采用正交异性钢桥面板的桥梁，限于国内施工质量、交通荷载以及早期设计时对正交异性钢桥面板疲劳裂纹产生的机理认识不足等综合因素，部分早期修建的桥梁均出现了不同程度的疲劳裂纹，如虎门大桥、江阴长江大桥等。

目前因疲劳开裂问题导致该类桥梁的维修加固需求十分突出，而一些维修加固的方法并不是十分有效。因此本文以国内某大跨度桥为例，通过ansys建立精细有限元模型针疲劳裂纹修复措施进行深入研究，可為此类桥梁疲劳裂纹的修复提供一定的参考。

2疲劳损伤研究

2.1疲劳损伤机理

正交异性钢桥面板是由横隔板、U形肋、顶板等共同作用的复杂结构，根据疲劳裂纹的成因不同，可分为由主应力引起的开裂与次应力引起的开裂。前者称荷载引起的开裂，后者称面外变形引起的开裂。疲劳敏感部位（如应力集中部位，焊缝部位，缺陷部位等）在循环荷载作用下会产生初始的微小疲劳损伤，在循环荷载作用下疲劳损伤一旦累计到临界值，就会产生宏观裂纹，宏观裂纹按断裂力学裂纹扩展机理扩展直至发生脆性失效断裂。

2.2疲劳损伤部位

根据国内外正交异性钢桥面板的疲劳损伤研究以及对已产生疲劳裂纹的桥梁的裂纹位置进行的统计分析，发现正交异性钢桥面板最容易产生疲劳裂纹的部位主要有图1中的三个部位，占疲劳损伤的90%以上：①横隔板开槽部位D1;②U形肋与横隔板竖向焊缝端部位D2;③U形肋与顶板焊缝D3。

3工程实例及有限元模型

该桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥。主跨为620m，梁高3.0m，宽30.1m。箱梁的上翼缘采用正交异性钢桥面板，闭口U形加劲肋。由于超载和桥顶板较薄（14mm）等原因，该桥多处部位出现疲劳裂纹，急需对疲劳裂纹进行修复加固处理，以确保钢桥面板的运营安全。

大跨度桥梁一般体积庞大、结构复杂，因此进行全桥精细化有限元分析工作量巨大，实际计算中实现较为困难。本文利用大型有限元分析软件ANSYS建立正交异性钢桥面板的局部精细化有限元模型，在保证模型受力特性与边界条件与实桥基本一致的情况下，模型越小越精细，其计算结果可靠度越高。本文模型纵桥向采用3m+3m+3m的纵向三跨结构，横桥向包括5个U形肋。顶板厚14mm，U形肋厚10mm，横隔板厚10mm。计算中约束所有横隔板端部翼缘自由度。

为了获得更加精准的计算数据，所有容易产生疲劳裂纹的部位，如横隔板开槽部位D1，以及在裂纹模拟过程中的网格划分，均应加大网格密度。整体模型网格划分如图2所示。为了获得更加精准的计算数据，所有容易产生疲劳裂纹的部位，如横隔板开槽部位D1，以及在裂纹模拟过程中的网格划分，均应加大网格密度，见图3。

4设计荷载

加载采用《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）[4]中车辆荷载。单车重480KN，车轮着地面积为200mm×600mm，不计冲击效应和铺装层扩散作用。因应力影响线在横向长度较短，因此可取车轴的单侧车轮加载，此处取加载大小为60KN。此外，根据同济大学童乐为教授研究表明，不同车道车辆对钢桥面板同一部位的应力不产生明显叠加，因此不考虑多车效应。

5计算结果对比分析

5.1开裂前应力分析

加载后，在横隔板开槽部位D1、U形肋与横隔板竖向焊缝端部D2处应力明显较高，与前面统计的正交异性钢桥面板最容易产生疲劳损伤的部位基本相符，表明局部应力集中是裂纹产生的一个重要原因。

5.2开裂后应力分析

经过数据分析得到开裂前和开裂后易损部位D1和D3处的应力集中点的应力对比，结果表明产生疲劳裂纹后，开槽部位D1的局部应力集中转移到裂纹尖端，且D1和D3部位应力均有较明显的增加。

5.3修复加固后应力分析

国内外许多学者都在致力于钢桥面板疲劳裂纹修复的研究，目前疲劳裂纹修复的方法较多，主要分为焊接修复和机械修复两类。英国Severn桥修复U形肋与顶板焊缝D3时，将原有焊缝敲击清除后重新焊接。但是加载次数仅增加1.5万次，止裂孔边缘便发现新疲劳裂纹。虽然相较之前应力集中有稍许分散，但其效果并不明显，因此止裂孔并不能有效地阻止裂纹扩展。

本文采取的修复方法为机械修复：在横隔板开槽部位D1、U形肋与横隔板竖向焊缝端部D2、U形肋与顶板焊缝D3粘贴角钢，以增强修改部位的刚度，降低局部应力以阻止疲劳裂纹的扩展。

结果表明：修复加固后D1，D3位置的应力较开裂后明显降低，其中开槽部位D1处的裂纹尖端应力最大降幅约66%，表明粘贴角钢修复方式能显著降低裂纹尖端的局部应力集中效应，阻止裂纹的继续扩展。

6结语

本文通过建立正交异性钢桥面板的局部精细化有限元模型，进行了疲劳细节部位的应力分析。对比分析了正交异性钢桥面板各个易损部位在开裂前、开裂后、修复加固后三种状态中的受力特性，得出了以下结论：

（1）加载后，在横隔板开槽部位D1、U形肋与横隔板竖向焊缝端部处应力明显较高，与国内外正交异性钢桥面板的疲劳损伤研究得出最容易产生疲劳裂纹的部位基本相符，表明应力集中是裂纹产生的一个重要原因。

（2）横隔板开槽降低横隔板的局部刚度，导致应力集中，使得开槽部位产生垂直于开槽边的疲劳裂纹。

（3）在裂纹尖端开直径10mm的止裂孔，裂纹尖端的应力最大值变化微小，因此止裂孔效果并不明显。

（4）采取粘贴角钢修复加固后，在横隔板开槽部位D1、U形肋与横隔板竖向焊缝D2端部处应力较开裂修复前显著降低，D1处的裂纹尖端部位局部应力降低约66%，表明通过粘贴角钢增强裂纹局部的刚度，能有效地降低局部应力以阻止疲劳裂纹的扩展。

参考文献：

[1]曾志斌. 正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分列及其原因分析 [J] . 钢结构，2011，26（2）：9-15，26

[2]王春生，冯亚成. 正交异性钢桥面板的疲劳研究综述 [J] . 钢结构，2009，24（9）：10-13.

[3] JTG D64—2015，公路钢结构桥梁设计规范 [S].