钢桥面板-纵肋单面焊和双面焊构造疲劳寿命对比研究

摘要：面板-纵肋构造是钢桥焊接细节的主要组成部分。文章为研究大跨度钢桥面板-纵肋构造的疲劳性能，借助ANSYS有限元软件，考虑焊缝实际尺寸，分别建立了包含单面焊和双面焊构造的钢桥面板疲劳节段数值分析模型，对两类构造的疲劳寿命进行了分析。结果表明：双面焊构造等效疲劳应力幅最大值位于外侧焊缝焊趾处，疲劳寿命为172.2年，是单面焊疲劳寿命的2.2倍；单面焊构造疲劳裂纹大多出现在焊根处，双面焊构造疲劳裂纹出现在外侧焊缝焊趾处，因此，双面焊构造疲劳裂纹的可检性较高。

关键词：钢桥；面板-纵肋构造；数值分析；疲劳寿命

U445.58+3A381202

0 引言

预应力钢筋混凝土桥由于自重大、施工工序复杂、工期长、施工质量难以保证和砂石料自然资源消耗大等缺点，迫使桥梁建设寻求一种更加适用于大跨、工业化和智能化的桥梁材料。在桥梁不断发展的过程中，钢材脱颖而出。20世纪以来，钢桥在国内外桥梁建设中得到了大规模的应用，钢桥涉及多种结构形式。其中，钢箱梁无论是直线、曲线，还是大跨、特大跨桥梁中均具有较强的适用性，因此钢箱梁在钢桥中投入使用的比例较高。钢桥施工过程中主要关注强度和稳定性问题，成桥后主要是疲劳问题。强度问题可通过梁高和板厚进行控制，稳定问题可通过板厚和加劲肋进行控制。钢桥疲劳问题内外因素复杂，受焊接初始缺陷和荷载环境的耦合影响，因此钢箱梁疲劳研究是现阶段钢桥尤为重要的研究课题方向。

自1971年欧洲赛文桥面板-纵肋构造发现开裂以来，国内外钢桥均发现了多起疲劳裂纹，钢桥疲劳问题也开始得到重视。以国内钢桥为例，军山长江大桥、江阴长江大桥和海沧大桥等疲劳开裂钢桥中，面板-纵肋构造均采用单面焊形式。近年来，钢桥面板-纵肋双面焊构造进行了实践应用，如沌口长江大桥、石首长江大桥和嘉鱼长江大桥等。张亚海等基于断裂力学方法对双面焊构造应力强度因子变化规律进行了分析［1］；张清华等基于实体节段模型得到了双面焊构造主导疲劳失效模式及其疲劳强度［2］；郭殊伦等分析了双面焊内焊缝初始裂纹开裂特征［3］；薛喆彦等分别介绍了定位焊、双面焊内外焊焊接工艺并论证了可靠性［4］；蒋斐等对比分析了新型镦边纵肋和双面焊两种新型面板-纵肋焊接构造的疲劳性能［5］。目前关于钢桥面板-纵肋双面焊构造的研究主要围绕裂纹扩展情况、疲劳抗力问题和焊接工艺而开展，缺少相对基础和系统的对比研究。本文基于实体有限元软件，对钢桥面板-纵肋构造单面焊和双面焊构造主要裂纹起裂点疲劳寿命进行对比研究，研究过程和分析结果可为钢桥设计和构造选型提供参考。

1 主要疲劳失效模式

早期的钢桥面板由不同厚度的板件通过全焊接连接组成，纵肋采用开孔肋形式。随着交通量的提高和宽幅大跨桥的不断发展，由纵肋（闭口U肋）、横隔板和顶板焊接连接，纵肋对接焊优化为高强螺栓栓接连接的钢桥面板应运而生。经实桥疲劳裂纹统计分析［6］，钢桥面板主要由3个疲劳细节组成，如图1所示。

疲劳细节1为面板-纵肋构造；疲劳细节2为横隔板交叉构造；疲劳细节3为纵肋对接构造。在面板轮载作用下，3种疲劳细节中疲劳细节1和2疲劳裂纹出现较多，就危害程度而言，疲劳细节1裂纹扩展至一定程度后，一方面会导致面板刚度下降，变形大，行车不稳；另一方面裂纹裂穿面板沥青铺装后，雨水渗漏至纵肋和钢箱梁内部，导致钢箱梁锈蚀，影响耐久性。因此本文研究对象为疲劳细节1。单面焊构造主要疲劳失效模式为焊根裂纹，双面焊构造主要疲劳失效模式为内焊焊趾裂纹和外焊焊趾裂纹。

2 疲劳节段几何尺寸

某大跨度公路宽幅斜拉桥钢箱梁桥面板采用正交异性钢桥面板，纵肋高度为300 mm，横向中心距为600 mm；横隔板间距为2 000 mm，高度为700 mm。研究文献指出钢桥面板疲劳范围影响有限［7］，横向3个纵肋及纵向3跨横隔板节段足尺模型能够得到面板-纵肋构造应力变化情况。横向加载工况按骑纵肋加载进行确定，纵向从第一节间边横隔板向第三节间边横隔板移动加载，疲劳节段与加载位置如图2所示，其中单面焊和双面焊构造α和β分别为50°和130°。

外侧焊缝熔透率为75%，焊根未熔透高度为1 mm，焊缝相关参数均满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）的要求［8］。内焊在工厂内采用简易焊接机器人进行焊接，角焊缝焊脚尺寸为6 mm，双面焊构造外侧焊缝尺寸参数与单面焊保持一致。按规范标准疲劳车进行加载，轮载尺寸为200 mm（纵向）×600 mm（横向），单轮荷载为60 kN。

3 有限元模型

按照实体单元进行疲劳节段建模，模型采用Solid45线性单元，焊缝按照实际尺寸建立，关注位置焊缝单元网格控制在lt;2 mm，其余区域单元网格控制在lt;25 mm。由于关注位置处于第二节间跨中位置，与模型边界相距较远，根据圣维南原理，对模型横向两侧顶板、纵向两侧顶板和纵肋、竖向横隔板底板分别进行线位移约束。纵向加载步长为100 mm，由于模型对称，仅加载第一节间和第二节间半跨结构，共计31个加载工况。所建立的有限元模型如图3所示。

4 疲劳寿命

一般而言，疲劳应力数值低于结构的静力强度，因此，轮载作用下结构变形处于弹性状态。为评估钢桥面板-纵肋单面焊和双面焊构造的疲劳寿命，首先需要确定疲劳应力幅。钢桥面板-纵肋构造主要受纵向单侧标准疲劳车1 200 mm相邻前后轮的轮载作用，在计算得到单个轮载疲劳应力条件下，根据应力叠加原理可以求得疲劳应力历程曲线，其次结合交通量数据对疲劳寿命进行评估。

分别提取得到标准疲劳车单侧前后轮轮载作用下，钢桥面板-纵肋单面焊和双面焊构造主要疲劳失效模式裂纹萌生点处纵向应力历程变化曲线如图4所示。

根据计算结果，钢桥面板-纵肋构造主要受主压应力作用，且轮载直接作用于关注位置正上方时，疲劳应力数值达到最大值。根据泄水法计算单面焊焊根裂纹（失效模式Ⅰ）、双面焊内侧焊缝焊趾裂纹（失效模式Ⅱ）和双面焊外侧焊缝焊趾裂纹（失效模式Ⅲ）最大疲劳应力幅分别为80.5 MPa、51.4 MPa和62.2 MPa，其余应力幅水平较小，疲劳损伤可忽略。经现场实测交通量，根据损伤等效原则，确定疲劳破坏次数，然后结合损伤度求得疲劳寿命，见后页表1。对于钢桥面板-纵肋构造而言，双面焊构造疲劳寿命明显高于单面焊构造，双面焊构造疲劳抗力较优，具有一定的应用前景。

5 结语

本文通过对某大跨度公路宽幅斜拉桥钢箱梁桥面板节段模型进行有限元数值模拟分析，得到了钢桥面板-纵肋单面焊和双面焊构造的疲劳应力，进而对疲劳寿命进行了评估，得出主要结论如下：

（1）双面焊构造主要疲劳失效模式处的疲劳应力幅均小于单面焊构造，且采用双面焊构造后，最不利疲劳应力幅位于外侧焊缝焊趾处，相比于单面焊焊根裂纹而言，使得疲劳裂纹更易于观测，便于后期维修加固。

（2）单面焊和双面焊构造疲劳寿命分别为82.0万次和178.2万次，双面焊构造疲劳性能更优。对于车流量较高、重车比例较大的大跨度钢桥而言，采用双面焊构造是保证钢桥面板长寿命服役的有效措施之一。

参考文献：

［1］张亚海，郭宝圣，张卫国，等.钢桥面板-纵肋双面焊缝疲劳裂纹应力强度因子［J］.土木与环境工程学报（中英文），2022，44（3）：62-70.

［2］张清华，笪乐天，李 俊，等.纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度问题［J］.中国公路学报，2022，35（8）：162-174.

［3］郭殊伦，雷俊卿，黄祖慰.双面焊U肋内侧焊缝初始裂纹特性研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2021，52（10）：3 581-3 594.

［4］薛喆彦，吴江波，杜 伟，等.钢桥U肋角焊缝双面焊工艺研究［J］.焊接技术，2021，50（6）：43-46.

［5］蒋 斐，吉伯海，王益逊，等.2种新型顶板-U肋构造细节的疲劳性能研究［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2020，43（10）：1 391-1 397，1 421.

［6］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.

［7］刘仕茂，祁义辉，刘 涛.中欧规范下钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节疲劳性能分析［J］.公路与汽运，2023（2）：119-121，126.

［8］JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范［S］.