城市高架桥钢盖梁疲劳性能研究

2021-07-15付诚俊刘耀荣

黑龙江交通科技 2021年6期

付诚俊，刘耀荣，吴峰，封伟

(西安市政设计研究院有限公司，陕西西安 710068)

0 引言

钢结构是土木工程的主要结构种类之一，具有强度高、重量轻、可靠性高、材料韧性及延性好，抗震性能优良，造型美观、工业化程度高、施工安装速度快等诸多优点，被广泛应用于桥梁等结构中。钢盖梁就是钢结构在桥梁下部结构中的应用，盖梁设计是桥墩设计一个关键部分，目前专门针对钢盖梁受力性能的研究还较少，以陕西省工程建设标准项目为依托，对城市高架桥钢盖梁疲劳性能进行研究。

城市桥梁钢盖梁大多采用钢箱梁，充分利用了钢箱梁整体性好，抗弯、抗扭刚度大，稳定性好，便于施工等优点。盖梁是将上部结构荷载传递到墩柱的重要构件，往往承受着高应力且具有反复循环的特点，在反复荷载作用下，疲劳损伤逐渐累积并最终造成钢盖梁构造细节的破坏。由于活载偏心加载作用以及轮载直接作用在钢盖梁的顶板上，使得钢盖梁截面发生畸变和横向弯曲变形，为保持箱形断面的形状，增加整体刚度，防止过大的局部应力需要在箱梁的支点位置与跨间设置横隔板。支点横隔板还将承受支座处的局部荷载，起到分散支座反力的作用，在反复荷载作用下，钢盖梁支承横隔板及其与中腹板连接位置应力状态复杂，是结构疲劳破坏的危险位置，疲劳损伤的积累将成为影响钢盖梁结构安全的潜在隐患。

1 钢盖梁疲劳分析

基于安全寿命设计方法研究钢盖梁的抗疲劳性能，研究流程如下：(1)通过Midas Civil整体有限元模型分析，得到钢盖梁支点位置的各车道影响线；(2)使用我国钢桥设计规范疲劳荷载模型Ⅱ对盖梁支点影响线加载，得到钢盖梁疲劳细节处的内力历程；(3)建立桥墩Midas Fea有限元仿真模型，将内力历程作为疲劳荷载加载，得到盖梁疲劳细节处的应力历程，使用雨流法(Rain flow counting)统计应力历程得到应力幅值谱；(4)确定钢盖梁疲劳细节部位的疲劳强度S-N曲线，并通过Goodman损伤程度修正方法，依据Miner线性累积损伤理论，计算钢盖梁疲劳细节处的疲劳损伤度与疲劳寿命；(5)调整横隔板人孔的构造形式，研究提高钢盖梁抗疲劳性能的有效方法。

1.1 背景工程概况

以一座城市高架桥为依托，该桥上部结构采用3 m×30 m钢混组合梁，下部结构采用T型桥墩，墩柱采用钢管混凝土墩柱，矩形钢管内填充C40微膨胀混凝土，盖梁采用钢盖梁，承台采用方形钢筋混凝土承台，基础采用钻孔灌注桩。

本桥盖梁采用箱形截面，钢材采用Q345qD，盖梁长10.35 m，宽2.0 m，高1.4 m，设三道腹板，盖梁顶板厚18 mm，腹板、底板厚16 mm；盖梁纵向加劲肋采用板肋，板肋高150 mm，厚16 mm，支座位置设置于中腹板与支承横隔板相交处，支承横隔板厚16 mm。

1.2 疲劳荷载的获得

通过Midas Civil整体有限元模型分析，得到钢盖梁支点位置的各车道影响线。使用我国钢桥设计规范疲劳荷载计算模型Ⅱ对盖梁支点影响线加载，得到钢盖梁疲劳细节位置的内力历程。我国钢桥梁设计规范疲劳荷载模型Ⅱ如图1所示，双车模型加载时两辆模型车的距离需要大于40 m，且只按单车道布载。

疲劳荷载计算模型Ⅱ加载得到的竖向力FN的内力历程如图2所示，该内力历程就是钢盖梁进行疲劳分析的疲劳荷载。

图2 钢盖梁支承位置竖向力历程图(单位：kN)

1.3 疲劳应力谱的获得

建立桥墩Midas FEA有限元仿真模型。钢盖梁模型采用板单元，材料采用Q345，墩底各节点采用固结边界条件。将疲劳荷载加载到钢盖梁，得到各疲劳细节处的应力历程，使用雨流法(Rain flow counting)分析应力历程图形，统计应力历程得到应力幅值谱。

1.4 确定疲劳曲线

通过钢盖梁疲劳细节处损伤度与疲劳寿命分析，支承横隔板人孔边缘拐角位置及其与中腹板连接位置处是疲劳破坏危险位置，确定我国钢桥规范中对应该疲劳细节的疲劳强度曲线。如图3所示，其计算方程如下

图3 疲劳强度曲线

1.5 疲劳分析结果

疲劳分析后，钢盖梁疲劳损伤云图如图4所示。从损伤云图可以看出，钢盖梁支承横隔板及其与腹板连接位置是疲劳破坏危险位置。一次荷载历程下，支承横隔板疲劳细节位置损伤度为3.06×10-5%，在循环荷载反复作用下，人孔边缘拐角处形成微裂纹并扩展产生宏观裂纹，宏观裂纹随着循环次数的不断累积，经3.28×106次荷载循环，支承横隔板发生破坏。