基于ANSYS有限元模拟的钢箱梁桥面板抗疲劳分析

2022-12-07韦荣彬

交通科技与管理 2022年22期

韦荣彬

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东广州 510507）

0 引言

该文以沙某河大桥钢箱梁主梁为例，通过有限元软件ANSYS12.0对钢箱梁桥面板疲劳问题进行仿真模拟分析。通过建立模型，分析在不同车轮轮位变化情况下，钢箱梁桥面板顶板U肋疲劳细节处应力情况，得出疲劳最不利点，为设计、施工提供一定的指导性作用。

1 结构与材料

该文工程实例为沙某河大桥，桥型图如图1。主桥主梁为直腹板钢箱连续梁，双幅变截面。钢箱梁顶板厚16 mm，在墩顶位置处变化为18 mm、20 mm，顶板U肋厚8 m，U肋中心距为600 mm，U肋高度为280 mm，U肋上端宽度为300 mm，箱梁顺桥向每隔2.5 m设置一道横隔板，箱梁腹板厚度为16～24 mm，梁高为2.3～4 m。顶板U肋的构造如图2所示。

图1 沙某河大桥

图2 顶板U肋

2 计算理论

2.1 基本原理

正交异性钢桥面板，即各向异性垂直方向上采用不同形式的肋进行加劲，使得加劲板整体的力学性能在各方向获得最佳性能。轮轴荷载是正交异性钢桥面板主要承受的荷载，同时也是钢梁的上翼缘，参与钢梁整体受力[1-2]。为了了解正交异性钢桥面板的受力，人为地将其分成了3个基本体系：第一体系为全桥体系，桥面作为箱梁的上翼缘的一部分，参与全桥受力；第二体系为横肋支承在箱梁腹板（节点）上所形成的桥面体系，承受桥面局部车轮荷载；第三体系为顶板体系，顶板刚性连接（横向支承）在纵肋腹板上端上，承受桥面局部车轮荷载。

车轮荷载的反复作用直接由桥面板承担，加上焊接节点不可避免的焊接缺陷或者应力集中，使得桥面板结构极易产生疲劳开裂。

2.2 疲劳细节及其疲劳强度

从《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）[3]附录C中表C.0.8可查得：正交异性钢桥面板闭口加劲肋纵肋通过横梁，纵肋下方挖孔，横隔板厚度t≤12 mm时（如图3所示），上焊缝下端位置处的疲劳细节类别Δσc=80，该细节定义为疲劳细节1。

图3 疲劳细节1

盖板与梯形加劲肋的连接焊缝当属于部分熔透，且a≥t时，疲劳细节类别Δσc=70，该细节定义为疲劳细节2。验算板内弯曲引起的正应力幅Δσ。

图4 疲劳细节2

2.3 疲劳荷载计算模型

查《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）可知，桥面系构件验算疲劳应采用单车模型的计算模型Ⅲ。

采用疲劳荷载模型Ⅲ计算正交异性钢桥面板疲劳应力时，加载区域遵循《公路钢结构桥梁设计规范》第5.5.7条进行布置。

2.4 交通量分析及疲劳损伤系数

根据相关资料，查得该桥交通量为22 014 pcu/日。

该工程实例所在道路：

Ny（计算车道的年总交通量）=22 014×365

=8 035 110

Nly（主车道的重车年交通量）=0.95pNy/j

=0.95×0.8×8 035 110/1=6 106 684

p（重车在总交通量中所占的比率）=80%

j（上慢车道与主车道数量和）=1

Q0（疲劳荷载模型车总重）=480 kN

查《公路钢结构桥梁设计规范》附录D 第D.0.2条可以算得交通流量系数为：

2.5 其他损伤等效系数分析

γ1为损伤效应系数，按《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）附录D中的图D.0.1-1取值：

该项目取L=92 m，L已经大于80 m，按80 m计算，得到：γ1=2.55-0.01*（L-10）=1.85。

设计寿命影响系数，按下式计算：

多车道效应系数γ4=1。

2.6 疲劳验算公式

采用疲劳荷载计算模型Ⅲ时，应按下列公式验算：

式中，疲劳荷载分项系数γFf=1.0；疲劳抗力分项系数γMf=1.15；尺寸效应折减系数ks=1.0；损伤等效系数γ=γ1*γ2*γ3*γ4≤γmax，（γ1～γ4在上述小节中已求解），γmax按照《公路钢结构桥梁设计规范》附录D中图D.0.5取值，为γmax=2.0，所以，得到：

γ=1.85*1.65*1*1=3.05＞γmax=2.0，因此，取γ=2.0。

在接下来的章节中，通过有限元求解式（1）中的疲劳应力幅ΔσE2。

3 有限元建模分析

3.1 桥面板局部有限元模型及加载方式

在车辆荷载作用下引起的全桥体系的应力中，钢桥面板的占比成分很小，并且车辆荷载局部作用的影响范围也相当有限[4]。该文选取局部模型进行分析，计算模型如图5所示。

图5 桥面板局部有限元模型

3.2 疲劳细节验算

（1）车轮荷载横桥向移动分析。疲劳细节1、2从左到右依次编号为1～26，如图6所示，车轮荷载从左侧第一个U肋中心开始横向移动共86步，每步间隔0.06 m，依次编号为1～86。

图6 横向加载示意图及疲劳细节编号（尺寸单位：m）

通过计算分析1～26号疲劳细节在上述车轮位的横向移动下的应力历程结果，得其中最大应力发生在10#横向车轮位处。

（2）车轮荷载顺桥向移动分析。以10#横向车轮位为区域1，按照图7所示顺桥向的加载，车轮荷载纵向移动间距为0.2 m每步，共30步，依次编号为1～30#。可得10#点在区域1～5的应力历程具体数值见表1。

图7 车轮荷载顺桥向移动加载示意图（尺寸单位：m）

表1 10#车轮位点应力历程表

按照式（1）可得：γFfΔσE2=42.6≤ksΔσc/γMf=80/1.15=69.6，经验算，满足规范要求。

3.3 疲劳细节2验算

（1）车轮荷载横桥向移动分析。疲劳细节2与细节1类似，从左到右依次编号为1～26，如图6所示，车轮荷载从左侧第一个U肋中心开始横向移动共86步，每步间隔0.06 m，依次编号为1～86。

分析1～26号疲劳细节在上述车轮位的横向移动下的应力历程，得8#点为最不利点，该处的最大应力发生在28#横向车轮位处。

（2）车轮荷载顺桥向移动分析。以28#横向车轮位为区域1，进行顺桥向的加载，车轮荷载纵向移动间距为0.2 m每步，共43步，依次编号为1～30#。可得在区域1～5的应力历程具体数值见表2。

表2 28#车轮位点应力历程表

按照式（1）可得：γFfΔσE2= 56.9≤ksΔσc/γMf=70/1.15=60.9，经验算，满足规范要求。

验算结果表明，疲劳细节1和疲劳细节2的疲劳强度满足规范要求。同时由上述分析结果可以看出，边腹板两侧的焊接节点为横向最不利点。其原因是该处桥面板处于刚度突变处，从而导致在车轮荷载作用下，该处附近的焊缝受力更为不利。并且由于在实际的运营阶段，重车靠边行驶，其车轮落在疲劳细节1和疲劳细节2的横向最不利轮位的概率会较大（如图8所示），所以在设计、施工制造过程中应重视边腹板附近区域的焊缝焊接质量。