钢桥面板横隔板交叉细节疲劳性能分析

摘要：钢桥面板疲劳性能是钢桥全寿命周期的关键控制因素，而横隔板交叉细节是钢桥面板的典型构造细节，该细节疲劳裂纹占比高、危害突出。文章为研究横隔板交叉细节的疲劳性能，借助有限元分析软件，分别建立了不考虑铺装层和考虑铺装层两类有限元模型，得到了该细节疲劳应力历程曲线。结果表明：横隔板交叉细节受力复杂，主要受主拉应力作用；考虑铺装层作用后，围焊处疲劳应力幅降低不明显，建议横隔板交叉细节在进行抗疲劳设计时不计铺装层与钢桥面板的联合作用。

关键词：钢桥面板；横隔板交叉细节；有限元；铺装层；疲劳应力历程

0引言

传统装配式混凝土结构难以适应大跨度桥梁的需要，随着大跨度桥梁需求增加，钢桥的运用越来越多，尤其是大跨斜拉桥和悬索桥。钢桥主梁大多采用钢箱梁形式，桥面板为正交异性钢桥面板（后简称钢桥面板）。钢桥面板制造工艺相对成熟稳定，工厂化生产，生产速度快，焊缝检测手段先进，板单元焊接质量能够得到保障，承载能力高，质量相对轻盈，能够满足工业化建造需要。

随着公路运输重车比例的不断提高，按照规范标准疲劳车设计的疲劳细节已经不能满足全生命周期的需要。抗疲劳设计在改造焊接接头的同时应重点关注实桥交通量需求，应考虑全生命周期内交通量的变化，确保疲劳细节损伤度合理可行。经调研［1］，钢桥面板疲劳细节多种多样，较为关键的疲劳细节包括两类：纵肋顶板连接细节和横隔板交叉细节，其中横隔板交叉细节裂纹占比较高，约为全桥裂纹的38.2%。相关学者对该细节开展了一系列研究：马宇平［2］基于响应面法对港珠澳大桥钢桥面板典型疲劳细节进行了有限元仿真分析；杨威［3］探讨了横隔板交叉细节模型分析尺度并得到了优化后的简化疲劳试验模型；卜一之等［4］基于武汉青山长江大桥试验模型，分析了贯穿型疲劳裂纹加固技术及其适宜加固时机；崔闯等［5］基于热点应力分析方法对横隔板交叉细节疲劳寿命进行了评估；张清华等［6］基于钢桥面板多疲劳失效模型的特点，采用损伤度相容理论建立了抗疲劳设计方法。目前关于钢桥面板疲劳性能相关研究涉及众多分析方法，研究角度、分析重点不一致，大多基于开裂后的分析，相对缺少疲劳性能影响因素的基础性研究，且研究文献大多忽略了铺装层对疲劳应力的扩散作用，可能导致设计趋于保守，桥梁造价偏高。本文选取了疲劳节段有限元分析模型，得到了横隔板交叉细节应力特征，在此基础上分别考虑无铺装层和有铺装层两种情形，对横隔板交叉细节疲劳性能进行了对比研究，以提高钢桥设计人员对疲劳裂纹问题的认识。

1 横隔板交叉细节

横隔板交叉细节位于钢桥面板纵肋与横隔板交叉位置，纵肋通过横隔板时，纵肋底部横隔板一般采用弧形开孔形式以确保纵肋连续通过，横隔板与纵肋采用角焊缝连接，围焊处受空间限制一般采用手工焊。当桥面车辆通过时，横隔板交叉细节受弯扭作用，受力较为复杂，围焊处角焊缝焊趾疲劳应力较大，易产生疲劳裂纹。横隔板交叉细节典型疲劳裂纹为裂纹萌生于围焊焊趾沿纵肋厚度方向斜向上扩展，沿横隔板开裂的疲劳裂纹占比少，目前研究主要针对典型疲劳裂纹而开展。横隔板交叉细节及其典型疲劳裂纹如图1所示。

2 工程案例

本文以某斜拉桥钢箱梁桥面板为研究对象，由于疲劳效应表现为局部问题，选择一定范围的节段足尺模型能够满足钢桥面板疲劳细节分析的需要。结合横隔板交叉细节受力特征，横桥向取2 100 mm，纵桥向取5 000 mm，包含3个横隔板、3条纵肋，横隔板间距为2 000 mm。主要板件厚度为：顶板16 mm，纵肋8 mm，横隔板14 mm；纵肋上下口宽度分别为300 mm和180 mm，高度为280 mm；横隔板交叉细节角焊缝焊脚尺寸为8 mm；关键位置位于中间横隔板、中间纵肋一侧交叉细节围焊处。节段模型横断面如图2所示。

该桥桥面铺装采用50 mm厚度的环氧沥青混凝土材料，该材料力学性质随季节不同有所差异，在夏季时，沥青弹性模量较低，此时对于疲劳应力较为不利，取夏季铺装层与无铺装两种情形进行对比分析，其中铺装层材料弹性模量取500 MPa，泊松比取0.25［7］；桥面板材料为Q345qD，弹性模量取210 GPa，泊松比取0.3。目前关于疲劳荷载的选取主要有两种，分别为国内规范疲劳车和欧规疲劳车。对这两种荷载而言，欧规疲劳车轮载面积为正方形［8］，疲劳效应更为集中，故此处选取欧规疲劳车进行加载分析。标准疲劳车如图3所示。

由于疲劳车横桥向轮距为2 000 mm，超过横隔板交叉细节应力影响范围，故取单侧前后轮进行加载分析。经试算，横桥向可取图2所示典型加载工况，即轮载中心位于纵肋腹板顶部正上方位置，纵桥向按照100 mm步长移动加载。由于模型对称，仅在一跨范围内加载，总加载步数为21步。

3 有限元模型

基于ANSYS软件，分别建立2跨3纵肋不考虑铺装层和考虑铺装层的有限元分析模型。基于Solid95单元，采用子模型技术细化关注位置单元网格，其余区域采用Solid45单元。铺装层与顶板之间不考虑层间滑移，其有限元模型如图4所示。

子模型约束条件按照整体模型公共边界位移相同控制。整体模型约束条件为：对模型底板约束竖向位移；对模型横桥向两侧约束顶板和横隔板横向位移；对模型纵桥向一侧约束顶板和纵肋位移，保证桥面板纵桥向能够自由变形以满足实桥约束情况。为便于分析，取单个轮载进行加载，前后轮叠加应力通过单个轮载影响线线性叠加得到。

4 数值模拟结果分析

4.1 疲劳代表应力

钢桥面板横隔板交叉细节受力情况不同于纵肋顶板连接细节。在轮载作用下，纵肋顶板连接细节以主压应力为主，横隔板交叉细节应力复杂，弯扭应力共同作用可能造成主拉应力为疲劳代表应力。以不考虑铺装层有限元模型为分析对象，分別提取单个轮载位于横隔板正上方和一侧跨中时子模型第一主应力和第三主应力分布情况，如图5和图6所示。

由图5、图6可知，横隔板交叉细节第一主应力最大值位于围焊焊趾处，就轮载作用位置而言，横隔板面外轮载疲劳应力相对较大，以主拉应力作为横隔板交叉细节典型疲劳裂纹的疲劳代表应力。

4.2 对比分析

基于以上分析结果，分别提取不考虑铺装层和考虑铺装层作用的横隔板交叉细节主拉应力，通过线性叠加原理得到前后轮作用下的疲劳应力历程曲线如图7所示，其中横坐标为前后轮中心点所处位置，坐标0点为前后轮中心点位于中间横隔板的正上方位置。

数值模拟结果表明：横隔板交叉细节疲劳应力主要受相邻跨轮载作用，除轮载中心位于距离横隔板900 mm附近时疲劳应力发生波动外，轮载越靠近横隔板，交叉细节疲劳应力数值越大。不考虑铺装层和考虑铺装层作用两种情形下，横隔板交叉细节疲劳应力幅分别为109.1 MPa和102.1 MPa，数值相对误差为6.4%，二者差别较小。因此，钢桥面板横隔板交叉细节在进行抗疲劳设计时可以忽略铺装层对疲劳性能的影响。

5 结语

本文基于ANSYS软件，对钢桥面板横隔板交叉细节典型疲劳裂纹下的疲劳应力进行了计算分析，得出主要结论如下：

（1）横隔板交叉细节围焊处应力复杂，主要受主拉应力控制，且横隔板面内轮载疲劳效应小于面外轮载。

（2）铺装层材料对横隔板交叉细节疲劳应力幅具有一定的削弱作用，但整体而言，疲劳应力幅降低有限。对于横隔板交叉细节而言，综合考虑疲劳应力和工程造价因素，建议疲劳性能评估及开裂后加固研究均可不计铺装层作用。

参考文献：

［1］张清华，卜一之，李 乔.正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展［J］.中国公路学报，2017，30（3）：14-30，39.

［2］马宇平.基于响应面法的正交异性钢桥面板疲劳设计参数研究［D］.成都：西南交通大学，2014.

［3］杨 威.钢桥面板横隔板面内变形疲劳试验模型优化与裂纹扩展特性分析［J］.广东公路交通，2021，47（2）：36-39.

［4］卜一之，金 通，李 俊，等.纵肋与横隔板交叉构造细节穿透型疲劳裂纹扩展特性及其加固方法研究［J］.工程力学，2019，36（6）：211-218.

［5］崔 闯，卜一之，张清华，等.基于热点应力法的正交异性钢桥面板疲劳寿命评估［J］.桥梁建设，2014，44（4）：62-67.

［6］张清华，笪乐天，李明哲，等.基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法［J］.土木工程学报，2022，55（12）：80-93.

［7］周绪红，朋 茜，秦凤江，等.钢桥面板顶板与纵肋连接焊根位置疲劳损伤特征［J］.交通运输工程学报，2018，18（1）：1-12.

［8］EN 1993 Eurocode 3，Design of Steel Structures ［S］.

作者简介：韦小双（1987—），工程師，主要从事高速公路工程建设工作。