方太云，陳雄飛，楊朝輝，張 劍，艾 軍

（1.江蘇省交通運(yùn)輸廳 工程質(zhì)量監(jiān)督局，江蘇 南京210001；2.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 南京214521；3.浙江交工高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州310019；4.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京210016）

鋼箱梁是一種復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，疲勞強(qiáng)度是評(píng)定焊接結(jié)構(gòu)一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。疲勞裂紋一般出現(xiàn)在焊接接頭的焊趾處，主要由焊趾附近的最大應(yīng)力所引起，因此，常使用結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法來(lái)評(píng)價(jià)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)應(yīng)力也被稱作熱點(diǎn)應(yīng)力，所謂熱點(diǎn)是指焊接構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處最可能發(fā)生疲勞裂紋的起始點(diǎn)［1］。鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)主要使用的是名義應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力。名義應(yīng)力方法需要首先計(jì)算出構(gòu)件相關(guān)截面上的平均應(yīng)力，然后判斷平均應(yīng)力是否小于疲勞斷裂時(shí)的持久名義應(yīng)力。相比與名義應(yīng)力，熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算考慮到焊接接頭結(jié)構(gòu)細(xì)部處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，而焊趾通常為疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的關(guān)鍵部位［2－3］。熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算的研究主要通過(guò)測(cè)試手段或者通過(guò)數(shù)值計(jì)算的手段得到。相關(guān)學(xué)者用熱點(diǎn)應(yīng)力方法整理了不銹鋼弧形焊接構(gòu)件節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，以熱點(diǎn)應(yīng)力幅表示的S－N曲線適合不同疲勞等級(jí)的焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［4］采用試驗(yàn)的方法確定了T型焊接的薄壁方形鋼管結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)變，并將名義應(yīng)力表述的S－N曲線轉(zhuǎn)換成以熱點(diǎn)應(yīng)力表述的S－N曲線。蒲黔輝等［5］應(yīng)用ANSYS軟件計(jì)算了正交異性鋼頂板的熱點(diǎn)應(yīng)力，與名義應(yīng)力法相比，熱點(diǎn)應(yīng)力法可以較好地反映正交異性鋼頂板疲勞開裂的實(shí)質(zhì)。碳纖維布是一種性能優(yōu)越的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，纖維布加固工程已有諸多學(xué)者予以重視，本文就碳纖維布加固鋼箱梁的熱點(diǎn)應(yīng)力展開分析。

1 鋼箱梁加固方法

節(jié)段式鋼箱梁試件的形狀和尺寸如圖1所示，試件為由頂板和U型縱肋焊接而成的結(jié)構(gòu)。其中，試件的材料為Q345b鋼，焊接材料為E50型。采用2種加固方式，加固方式Ⅰ為單層碳纖維布加固，纖維布整個(gè)粘貼頂板底部和U肋邊緣；加固方式Ⅱ?yàn)閱螌犹祭w維布加固，纖維布粘貼頂板底部和U肋邊緣，但U肋底部不粘貼。

圖1 節(jié)段式鋼箱梁試件尺寸

2 鋼箱梁計(jì)算模型和數(shù)據(jù)分析

本文應(yīng)用ANSYS軟件建立有限元模型。鋼箱梁模型采用體單元solid45模擬，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3；碳纖維布采用shell63單元模擬（見圖2和圖3），其彈性模量為230GPa和，泊松比為0.1。

圖2 加固方式Ⅰ有限元模型圖

圖3 加固方式Ⅱ纖維布有限元模型圖

由于鋼箱梁加固有限元模型具有對(duì)稱性，因此，選取1／2來(lái)顯示應(yīng)力計(jì)算結(jié)果即可。鋼箱梁加固有限元部分應(yīng)力云圖如圖4～圖7所示。

圖4 加固方式Ⅰ的鋼箱梁x方向應(yīng)力云圖

圖5 加固方式Ⅰ的纖維布x方向應(yīng)力云圖

圖6 加固方式Ⅱ的鋼箱梁x方向應(yīng)力云圖

圖7 加固方式Ⅱ的纖維布x方向應(yīng)力云圖

各種加固方式計(jì)算出的最大應(yīng)力結(jié)果見表1。從表1可知，鋼箱梁各種加固方式計(jì)算出的x方向應(yīng)力分量較大，這是因?yàn)榻：缚p處存在變截面，變截面易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象?？紤]到加載過(guò)程中力的傳遞是通過(guò)液壓缸首先傳遞給一塊鋼板，然后傳遞給一塊橡膠板，最后才傳遞給試件；因此，本文建模過(guò)程中約束了試件上一部分節(jié)點(diǎn)的位移，使得試件與橡膠板接觸部分的位移變形一致。通過(guò)在面上施加力來(lái)模擬加載過(guò)程，當(dāng)面載荷轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)載荷后，在邊緣節(jié)點(diǎn)處易引起類似于集中力引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)除去這部分節(jié)點(diǎn)后，其余模型的應(yīng)力水平滿足要求。

表1 鋼箱梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 （MPa）

近年來(lái)，使用熱點(diǎn)應(yīng)力的方法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)和評(píng)定受到廣泛重視。使用熱點(diǎn)應(yīng)力評(píng)定焊接區(qū)域，主要有如下幾種外推的方法：1）直接提取距離熱點(diǎn)0.5t處的應(yīng)力值，以該處的應(yīng)力值作為熱點(diǎn)處的應(yīng)力值；2）各船級(jí)社推薦，提取距離熱點(diǎn)位置0.5t和1.5t處的應(yīng)力值進(jìn)行外推；3）國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦，提取距離熱點(diǎn)0.4t和1.0t處的應(yīng)力值進(jìn)行兩點(diǎn)線性外推；4）提取距離熱點(diǎn)0.4t、0.9t和1.4t處的應(yīng)力值進(jìn)行三點(diǎn)二次外推；5）提取距離熱點(diǎn)0.5t、1.0t和2.5t處的應(yīng)力值進(jìn)行三點(diǎn)二次外推。

對(duì)比這5種模型計(jì)算出的鋼箱梁頂板熱點(diǎn)處的應(yīng)力（見表2）發(fā)現(xiàn)，加固方式Ⅰ、加固方式Ⅱ的熱點(diǎn)應(yīng)力差別不大，而加固方式Ⅱ相對(duì)于加固方式Ⅰ更節(jié)省材料，故加固方式Ⅱ相比為可取。

表2 加固方式Ⅰ模型熱點(diǎn)應(yīng)力

表3 加固方式Ⅱ模型熱點(diǎn)應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

疲勞裂紋的出現(xiàn)使得鋼箱梁運(yùn)營(yíng)存在重大隱患，碳纖維布加固是疲勞加固的一種較為有效的措施。本文根據(jù)節(jié)段式構(gòu)件，采用碳纖維布不同的粘貼加固方式進(jìn)行處理，并建立碳纖維布加固鋼箱梁的ANSYS有限元模型，鋼箱梁模型采取體單元solid45模擬，碳纖維布采用shell63單元模擬，并利用多種外推方法對(duì)焊接區(qū)域的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析。綜合疲勞應(yīng)力和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可知，焊接部位粘貼纖維布的加固方式（加固方式Ⅱ）更具有優(yōu)勢(shì)。

［1］周太全.橋梁構(gòu)件局部熱點(diǎn)應(yīng)力分析及其疲勞損傷累積過(guò)程模擬［D］.南京：東南大學(xué)，2003.

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［3］賈法勇，霍立興，張玉鳳，等.熱點(diǎn)應(yīng)力有限元分析的主要影響因素［J］.焊接學(xué)報(bào)，2003，24（3）：27－30，100.

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［5］蒲黔輝，高立強(qiáng)，劉振標(biāo)，等.基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的正交異性鋼頂板疲勞驗(yàn)算［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，48（3）：395－401.