摘要：為研究鋼橋面板在標(biāo)準(zhǔn)疲勞車作用下裂紋擴(kuò)展的可能性及其開裂特征，文章基于ANSYS有限元軟件構(gòu)建了包含初始制造缺陷的數(shù)值模擬模型，分析了橫隔板交叉細(xì)節(jié)圍焊處應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明：橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞開裂以Ⅰ型裂紋為主，等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值為85.0N·mm-3/2，超過材料擴(kuò)展閾值，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；建議鋼橋面板構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視橫隔板交叉細(xì)節(jié)的尺寸優(yōu)化分析，同時(shí)工廠焊接制造時(shí)，應(yīng)合理控制焊接工藝，并加強(qiáng)初始制造缺陷檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：鋼橋面板；橫隔板；疲勞裂紋；初始制造缺陷；應(yīng)力強(qiáng)度因子

中圖分類號(hào)：U441+.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.050

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0170-02

0引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，正交異性鋼橋面板（以下簡(jiǎn)稱鋼橋面板）眾多焊縫細(xì)節(jié)中橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞開裂占比高達(dá)38.2%，是疲勞研究中較為重要的焊縫細(xì)節(jié)［1-3］。疲勞性能研究中最直接有效的分析對(duì)象為疲勞裂紋。黃云等［4］探討了應(yīng)力強(qiáng)度因子求解方法并對(duì)橫隔板交叉細(xì)節(jié)表面缺陷及其疲勞效應(yīng)進(jìn)行了研究；李丹等［5］闡述了擴(kuò)展有限元理論并分析了某千米級(jí)斜拉橋鋼橋面板縱肋頂板焊縫細(xì)節(jié)典型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子；張亞海等［6］基于斷裂力學(xué)方法對(duì)比了縱肋頂板雙面焊縫與傳統(tǒng)單面焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的差異；劉益銘等［7］建立了鋼橋面板疲勞裂紋擴(kuò)展模擬方法并分析了橫隔板交叉細(xì)節(jié)典型疲勞裂紋不同擴(kuò)展路徑下的擴(kuò)展速率，得到了疲勞壽命。關(guān)于橫隔板交叉細(xì)節(jié)疲勞裂紋的研究文獻(xiàn)中，大多基于疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律、疲勞失效路徑和疲勞壽命等方面而開展，且分析所采用的荷載大多為固定位置，得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子也為固定荷載位置下的數(shù)值，不能夠準(zhǔn)確描述移動(dòng)輪載下的疲勞開裂特征。因此，本文考慮移動(dòng)輪載作用，分析了橫隔板交叉細(xì)節(jié)圍焊處應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律，有助于提高設(shè)計(jì)人員對(duì)疲勞開裂的認(rèn)識(shí)。

1橫隔板交叉細(xì)節(jié)

鋼橋面板應(yīng)用早期由于對(duì)疲勞問題的認(rèn)識(shí)不夠，橫隔板交叉細(xì)節(jié)往往采用兩種形式：（1）縱肋在橫隔板處斷開，與橫隔板焊接連接；（2）縱肋連續(xù)通過橫隔板，但連續(xù)通過處縱肋底部橫隔板不開孔。以上兩種形式疲勞性能較差，橫隔板對(duì)縱肋約束較強(qiáng)，導(dǎo)致焊縫所受二次應(yīng)力大，易發(fā)生疲勞破壞。目前橫隔板交叉細(xì)節(jié)大多采用縱肋連續(xù)通過橫隔板形式，且在縱肋底部橫隔板設(shè)置圓弧開孔，此種情況下，橫隔板既能通過與縱肋腹板的焊接連接對(duì)縱肋進(jìn)行必要的約束，又能通過底部的開孔形式避免約束應(yīng)力過大、導(dǎo)致過早的產(chǎn)生疲勞開裂。

橫隔板交叉細(xì)節(jié)開孔形式多種多樣，無論開孔的大小，實(shí)橋中均存在三種情形的疲勞裂紋：（1）出現(xiàn)在縱肋與橫隔板圍焊焊趾處縱肋上的疲勞裂紋，相關(guān)文獻(xiàn)表明該位置裂紋最容易產(chǎn)生，疲勞應(yīng)力復(fù)雜，此位置的疲勞開裂通常成為橫隔板交叉細(xì)節(jié)的主導(dǎo)疲勞失效模式；（2）出現(xiàn)在圍焊焊趾處橫隔板上的疲勞裂紋；（3）出現(xiàn)在應(yīng)力集中較為嚴(yán)重弧形開孔邊緣處的疲勞裂紋。橫隔板交叉細(xì)節(jié)三類典型疲勞裂紋如圖1所示，本文主要是針對(duì)第1類疲勞裂紋進(jìn)行分析。

2應(yīng)力強(qiáng)度因子與初始制造缺陷

2.1應(yīng)力強(qiáng)度因子

應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解是斷裂力學(xué)分析的重要內(nèi)容。參考相互作用積分原理，相互作用積分I（s）由三種基本開裂模式應(yīng)力強(qiáng)度因子組成：

I（s）=2E′（s）（KⅠK′Ⅰ+KⅡK′Ⅱ）+1u（s）KⅢK′Ⅲ（1）

式中：E′（s）——輔助場(chǎng)下的彈性模量，平面應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)下E′（s）分別為E（s）/（1-v2（s））和E（s），E（s）為真實(shí)場(chǎng)下的彈性模量；

K′Ⅰ、K′Ⅱ、K′Ⅲ——輔助場(chǎng)下的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子；

v（s）——真實(shí)場(chǎng)下的泊松比；

u（s）——真實(shí)場(chǎng)下的剪切模量，u（s）=E（s）/2（1+v（s））；

KⅠ、KⅡ、KⅢ——真實(shí)場(chǎng)下的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子。

由真實(shí)場(chǎng)和輔助場(chǎng)下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移參數(shù)，可計(jì)算得到裂紋前緣處的I（s）。通過式（1）可反算得到基本開裂模式下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。參考標(biāo)準(zhǔn)BS7910［8］，復(fù)合開裂模式下的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子Keff可由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

Keff=K2Ⅰ+K2Ⅱ+K2Ⅲ/（1-v）（2）

2.2初始制造缺陷

初始制造缺陷是疲勞性能劣化的主要內(nèi)因，一般包括氣孔、夾雜等。相關(guān)學(xué)者將初始制造缺陷幾何特征分別簡(jiǎn)化為面狀（半圓形和半橢圓形）和體狀（半球形和半橢球形），根據(jù)研究結(jié)果，面狀缺陷對(duì)于疲勞分析更為不利。鋼橋面板節(jié)段疲勞試驗(yàn)中對(duì)于構(gòu)造細(xì)節(jié)切割后發(fā)現(xiàn)，斷面中類裂紋形態(tài)也類似于半圓形和半橢圓形。綜合相關(guān)文獻(xiàn)，本次分析時(shí)將初始制造缺陷簡(jiǎn)化為半圓形，半徑R=0.5mm，如圖2所示，其中t為鋼板厚度。

3有限元數(shù)值分析模型

3.1足尺節(jié)段幾何尺寸

以國(guó)內(nèi)某大跨度鋼橋?yàn)楸尘耙劳?，取鋼橋面板足尺?jié)段模型進(jìn)行后續(xù)數(shù)值模擬分析。鋼橋面板焊縫細(xì)節(jié)的疲勞問題一般屬于第二體系受力問題，且疲勞效應(yīng)分布僅與局部范圍輪載有關(guān)，因此疲勞分析時(shí)足尺節(jié)段模型可取一定的縱肋長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行研究。結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)［9］，本文分析時(shí)足尺節(jié)段模型橫向取3個(gè)縱肋、縱向取2個(gè)縱肋節(jié)間，關(guān)注位置為中間橫隔板2#縱肋處。考慮到輪載尺寸的不利影響，分析時(shí)取輪載更為集中的歐規(guī)疲勞車作為外荷載［10］，橫向加載時(shí)將單輪（輪載尺寸為400mm×400mm）偏不利的放在關(guān)注位置側(cè)縱肋腹板正上方，縱向按照兩個(gè)縱肋節(jié)間依次加載。本文所選取的足尺節(jié)段模型幾何尺寸如圖3所示，其中橫隔板厚度為14mm，圍焊采用普通角焊縫形式，焊腳尺寸為7mm。

3.2模型的建立

將初始制造缺陷引入到關(guān)注位置圍焊焊趾正下方縱肋處，由于裂紋前緣應(yīng)力場(chǎng)存在奇異性，將裂尖中心層楔形體單元中間節(jié)點(diǎn)優(yōu)化至1/4處可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力求解，裂紋周圍采用solid95單元，模型中非關(guān)注區(qū)域采用solid45單元，全部采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，其中焊縫按照真實(shí)尺寸建立，網(wǎng)格控制在1.5mm以內(nèi)，非關(guān)注區(qū)域網(wǎng)格適當(dāng)加大。鋼材材料為Q345qD，依托ANSYS軟件所建立的有限元數(shù)值分析模型如圖4所示。

4應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

將移動(dòng)輪載步長(zhǎng)設(shè)置為200mm，總加載步為21步。裂紋擴(kuò)展時(shí)板件厚度方向易貫穿，導(dǎo)致疲勞細(xì)節(jié)完全失效，因此通常關(guān)注裂紋深度方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子。為提高橫隔板交叉細(xì)節(jié)圍焊疲勞開裂模式的認(rèn)識(shí)，分別計(jì)算不同荷載步作用下的三種基本開裂形式的應(yīng)力強(qiáng)度因子如圖5所示，其中橫坐標(biāo)縱向輪載位置為單側(cè)前后輪中心處距離中間橫隔板的相對(duì)位置。

由圖5可知，橫隔板交叉細(xì)節(jié)圍焊處張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值較大，明顯占主導(dǎo)地位，其余兩種應(yīng)力強(qiáng)度因子均為負(fù)值，且數(shù)值相對(duì)較小，按應(yīng)力強(qiáng)度因子絕對(duì)值排序?yàn)镵Ⅰ＞KⅡ＞KⅢ，表明該細(xì)節(jié)圍焊處疲勞裂紋主要以張開型開裂為主，滑開型為輔。當(dāng)單側(cè)前后輪輪載對(duì)稱于關(guān)注位置橫隔板正上方時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子同時(shí)達(dá)到最大值。在基本開裂形式下應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步得到等效應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律如圖6所示。

參考相關(guān)研究文獻(xiàn)［4］，鋼橋面板焊縫細(xì)節(jié)材料擴(kuò)展閾值為63 N·mm-3/2，等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值為85.0 N·mm-3/2，超過材料擴(kuò)展閾值，疲勞裂紋存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。等效應(yīng)力強(qiáng)度因子與張開型應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律基本一致，當(dāng)單側(cè)前后輪輪載中心至關(guān)注位置橫隔板正上方距離在［-600 mm，600 mm］時(shí)，輪載作用下的疲勞效應(yīng)較為突出。

5結(jié)語

（1）本文基于ANSYS軟件建立了包含初始制造缺陷的有限元數(shù)值分析模型，得到鋼橋面板橫隔板交叉細(xì)節(jié)圍焊處疲勞開裂以Ⅰ型裂紋為主，Ⅱ型裂紋為輔。另外，Ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子較小，基本可以忽略。

（2）在本文所選取的橫隔板交叉細(xì)節(jié)尺寸條件下，圍焊處的疲勞裂紋等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值為85.0 N·mm-3/2，超過材料擴(kuò)展閾值，裂紋具有一定的擴(kuò)展能力。建議結(jié)合疲勞分析結(jié)果，進(jìn)一步加強(qiáng)鋼橋面板的構(gòu)造設(shè)計(jì)，橋梁運(yùn)維管養(yǎng)期間盡量避免超載，同時(shí)在焊接構(gòu)件出廠時(shí)應(yīng)加強(qiáng)初始制造缺陷的檢測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：謝小芳（1987—），工程師，主要從事道路與橋梁技術(shù)研究和試驗(yàn)檢測(cè)工作。

收稿日期：2024-05-16