正交异性钢桥面板疲劳细节优化

发布时间：2022-10-05 10:08 热度：

刘根荣1
摘要：作为早期公路钢桁梁桥破损桥面板更新的主要选择，正交异性钢桥面板已得到应用。为了适应近年来日益增长和加重的车辆轮载，需要对钢桥面板进行疲劳细节的优化。本文采用MonteCarlo方法模拟50年的疲劳荷载作用，借助三维有限元模型获得两种闭口肋的疲劳细节影响面，运用经典的雨流计数法研究其疲劳损伤度。结果表明相同尺寸下，U形截面常见疲劳细节的受力优于V形截面，疲劳寿命大于V形截面。
关键词：栓焊桁梁桥；钢桥面板；疲劳细节优化；闭口肋
Abstract: as the early highway steel truss bridge damage the main selection panel update, orthotropic steel bridge panel has been applied. In order to meet the increasing in recent years and aggravation of the vehicle wheel load, need to steel bridge panel fatigue of the detail of the optimization. In this article, the method of 50 years of simulation MonteCarlo fatigue load, with the aid of the three dimensional finite element model for two silent ribs fatigue details the extent, using the classical rain flow count method to study the fatigue degree. The results show that under the same size, U shape section of the detail of the stress fatigue common better than V section, fatigue life than V section.
Keywords: bolt welding truss; Bridge steel plate; Fatigue details optimization; Silent rib

中图分类号： U448.36 文献标识码：A 文章编号：

引言
正交异性钢桥面板结构复杂，存在大量焊接构造，制造施工要求较高，疲劳问题显著，在车轮荷载长期反复作用下，焊缝易开裂。本文根据正交异性钢桥面板中闭口纵肋常用的两种截面形式：U形截面、V形截面，选取四个横梁间距建立正交异性钢桥面板局部有限元模型，计算单轮荷载作用下常见疲劳细节的影响面，用雨流法进行疲劳损伤度计算，对两种不同截面形式的闭口纵肋进行对比分析。

由于历史局限性，我国早期公路栓焊桁梁桥的设计荷载等级普遍较低，其桥面系构造为钢纵横梁其上叠加预制砼桥面板，由于使用分布数量较少的刚性剪力键固定，纵横梁与混凝土板之间的叠合作用较弱。
近十几年来，大部分栓焊钢桁梁桥所通行的车辆载重及流量均远超原设计水平，而且桥梁结构深受各种形式病害的侵扰，主要表现在桥面板破损导致的钢结构锈蚀、纵横梁不当连接导致的疲劳裂纹等。
（1）桥面板的破损导致防水失效，雨水及垃圾聚集形成恶劣的锈蚀环境，使得下承式桁梁的H型下弦、纵横梁、人行托架根部及下平联节点处遭受严重的锈蚀。图 1给出了因桥面板破损渗漏水严重形成纵横梁恶劣的锈蚀环境。
（2）栓焊桁梁桥的钢结构裂纹主要由疲劳产生，且疲劳裂纹多发生在桥面系纵横梁连接处的连接角钢和纵梁腹板切口处，原因有两方面：一方面，纵梁在横梁处断开，并采用柔性的角钢连接，纵梁间不设置鱼形板，假定此处仅传递竖向剪力。然而，纵梁栓接接头总是存在一些抵抗力矩，梁端转动使连接角钢发生了畸变。因此连接角钢较容易撕裂；另一方面，工字形截面的纵梁与横梁连接时，上端的翼缘被切除以避让横梁翼缘，这样大大减小了纵梁的截面模量，这部分纵梁的抗弯能力被显著削弱，出现很大的应力幅，造成纵梁腹板切口处出现裂纹。
栓焊钢桁梁桥的主桁、联结系和桥面系组成了近似箱形截面的空间受力分布特性，具备较强的承载潜力，其更新加固工程主要包括两方面：砼桥面板的更换与钢结构的除锈涂装维修。鉴于正交异性钢桥面板具有重量轻、强度高、安装迅速、可根除现有钢桁梁桥病害的细节构造等优势，在桁梁桥桥面板更新加固中成为强有力的推荐方案。
本文介绍了正交异性钢桥面板在某桁梁桥桥面板更新加固中的应用与相关的问题。通过建立三维有限元模型，并结合实桥试验，考察了钢桥面板与原纵横梁的协同工作状况。不同加载工况的对比分析表明更新的钢桥面板与原纵横梁叠合作用明显，增强了结构刚度，降低了纵横梁结构的应力，有效增强了既有桥梁的承载能力。
钢桥面板疲劳分析流程
正交异性钢桥面板的疲劳特性主要体现在，其疲劳细节分析流程如图 1所示。

图 1 钢桥面板疲劳分析流程
疲劳细节及分级
钢桥面板容易开裂的部位主要是焊接连接点，即钢桥面板各部件连接处的焊缝。当然也有因应力集中导致易开裂的部位，如横梁腹板的开孔处。结合国外文献中已经报道的疲劳裂纹位置，绘制了典型的闭口纵肋正交异性钢桥面板易于产生疲劳裂纹的关键部位。本文选取计算的疲劳细节如表 1所示。
表 1 正交异性钢桥面板中疲劳细节分类及疲劳分级
疲劳细节 验算点及名义应力 验算点
编号 疲劳分级（）
Eurocode
纵肋底板焊缝 纵肋底缘中点纵桥向应力 ZZ1 90
ZZ2
顶板焊缝 纵肋腹板外侧及顶板底面垂直焊缝应力，验算点距焊根6mm DD4 71
DD5
DD6
DD7
纵肋与横梁腹板焊缝 纵肋腹板及横梁腹板平面内垂直焊缝应力，验算点在焊缝上下两端距焊根6mm ZH4 80*
ZH8
纵肋与顶板焊缝 顶板焊缝处纵、横桥向应力 ZD2 112*
ZD4
ZD6
ZD8
注：疲劳分级以常幅疲劳截止限表示，单位MPa。带星号者为规范中未做规定，根据规范中适当组中疲劳细节分级，推荐取值。
疲劳性能分析
有限元模型
局部有限元模型纵桥向取四个横梁间距，相邻横梁间距2米，横桥向共计15个纵肋，相邻纵肋间距0.6米，总宽度9.5米。纵肋、横梁采用shell63单元，桥面铺装采用solid64单元。将跨中横梁与最外侧两个横梁下翼缘的平动与转动位移全部约束，为了模拟纵梁对正交异性板真实的支撑作用，将梁单元与正交异性板横梁下翼缘底部位移耦合，使其位移一致。
影响面计算
以轮迹带中心线为中心，影响面计算范围在横桥向为一个轮迹带分布宽度，即1.1m。根据先前计算横桥向影响线的精度来看，横桥向50mm间距一个工况即可保证计算精度。因此确定每个纵桥向影响线的间距50mm，总共计算23条纵桥向影响线。影响面纵桥向长度为6m，纵桥向影响线上每隔100mm为一个计算工况，每条纵桥向影响线共61个工况。
疲劳寿命
将钢桥面板各疲劳细节的抗力按照Eurocode中相关规定执行，为保持一致，在疲劳寿命分析中选用Eurocode规范中的疲劳曲线。利用抽样法计算轮载作用下钢桥面板各细节的疲劳寿命，并利用简化法计算Eurocode等效轴重作用下钢桥面板各细节的疲劳寿命。根据图 1的疲劳寿命计算流程分布计算U型肋和V型肋钢桥面板的疲劳细节寿命，并将疲劳分析计算结果列于表 2中。
通过以上表中数据对比可知，相同尺寸的U形闭口肋累积损伤小于V形闭口肋，疲劳特性优于V形纵肋，具有更长的疲劳寿命。两种闭口肋常见疲劳细节的疲劳寿命都有很大的富余，能够满足使用要求。
表 2 疲劳细节验算结果
疲劳细节 验算点号 50年损伤度（D）
纵肋对接焊缝 U ZZ2 0.0721
V 0.0958
顶板焊缝 U DD5 0.2178
V 0.2308
纵肋与横梁腹板焊缝 U ZH4 0.0063
V 0.0333
纵肋与顶板焊缝 U ZD6 0.0002
V 0.4954

结论
通过有限元模型计算结果的对比分析可以发现，当闭口肋开口宽度、高度、厚度相同时，U形肋常见疲劳细节的疲劳性能要优于V形肋，具有更长的疲劳寿命，能够满足使用年限的要求。在大跨度栓焊结构中U形闭口肋可以比V形闭口肋更好地改善正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题，增强疲劳细节的耐久性。

参考文献
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