鋼板組合梁橋主梁與豎向加勁肋連接細節疲勞應力特征

劉青茹,吉伯海,姚 悅,傅中秋

(河海大學 土木與交通學院,江蘇 南京 210098)

鋼板組合梁橋由于具有輕質高強、工業化生產程度高等優點廣泛應用在國內外的橋梁建設中[1-3]。鋼板組合梁橋早期常采用多根鋼主梁的結構形式,鋼主梁間設置密集的小橫梁以及橫聯和平聯加強連接,鋼梁腹板上焊接眾多縱向、橫向加勁肋以防止失穩,造成構件受力路徑不明確且不能充分發揮作用、工廠制作費用高、施工周期長、后期橋梁管養難度大等不足。隨后經過簡化構造設計,逐漸形成現有的一種雙主梁鋼板組合梁橋,兩根鋼主梁之間采用更為簡化的橫梁結構形式,小橫梁形式的雙主梁鋼板組合梁橋成為中小跨徑橋梁設計的主流方案。中華人民共和國交通運輸部也發布了《鋼板組合梁橋通用圖》[4],推薦采用小橫梁形式的雙主梁作為主梁形式。然而,根據早期國外鋼橋病害調研,主梁與豎向加勁肋連接細節的疲勞問題突出,疲勞開裂特征復雜,開裂類型多樣,長裂紋可能撕裂腹板,影響結構安全[5-6]。

我國早期的鋼板組合梁橋在受拉翼緣和豎向加勁肋直接相連的焊接細節處發生疲勞失效,為避免該問題,豎向加勁肋不與受拉翼緣直接連接,即在豎向加勁肋端部與主梁受拉翼緣之間設置一段橫向不受支撐的間隙,由于該部位的局部剛度出現了明顯的減弱,會出現局部高應力,導致疲勞開裂的產生[7-9]。國內外學者針對腹板間隙的疲勞開裂成因開展了若干研究[10-12]。在車輛荷載橫向傳遞過程中,相鄰主梁之間會產生豎向位移差,導致橫向連接構件轉動,引起腹板間隙處面外變形,導致該細節產生較大應力[13]。腹板間隙在不斷經受面外變形和大幅循環應力情況下,很容易萌生疲勞裂紋并造成疲勞裂紋快速擴展[14-15]。文獻[16]研究表明,鋼橋發生疲勞破壞主要由承受的荷載和面外變形造成,鋼橋中平面外變形疲勞約占全部疲勞裂紋的90%。該類型的疲勞問題成為鋼橋疲勞研究的重點,以Fisher等[17]為代表的外國學者對此進行了深入的研究,研究表明大多數疲勞裂紋萌生在應力集中嚴重的橫向連接板端部。同時,中國一些學者也對這一熱點問題進行了研究[10]。黃僑等[18]綜合介紹了鋼橋的面外變形疲勞成因及針對性的措施。對于后期雙主梁鋼板組合梁橋主梁與豎向加勁肋連接細節的疲勞問題,王鵬[19]應用有限元軟件ANSYS對某小型簡支鋼梁橋進行模擬分析,討論了橫梁、腹板及連接處等細部構造對腹板間隙處面外變形疲勞性能的影響效果,并對腹板間隙疲勞開裂問題提出了優化措施?，F有研究已明確導致腹板間隙開裂的主要原因是車輛荷載作用下主梁間的豎向位移差,從而引起腹板間隙的面外變形。但由于早期研究所針對的鋼板梁結構形式與正在推廣的通用圖存在一定差異,如橫向連接系形式不同。因此,腹板與豎向加勁肋連接部位的具體受力特征、關鍵受力部位仍需要進一步確定。

本文圍繞小橫梁形式的雙主梁鋼板組合梁橋主梁與豎向加勁肋連接細節的疲勞問題,通過建立疲勞荷載下的工字形鋼板組合梁橋有限元整體模型,明確疲勞車荷載不同位置對雙主梁豎向位移差的影響,鋼板組合梁橋在支承處為避免疲勞裂紋的出現而不設腹板間隙,重點研究非支承部位小橫梁及無橫梁處主梁與豎向加勁肋連接細節處的疲勞應力,通過建立小橫梁與無橫梁處主梁節段模型,對主梁與豎向加勁肋連接細節各點的疲勞應力特征進行分析,探究主梁與豎向加勁肋連接細節的疲勞易損部位,為鋼板梁橋的疲勞研究提供參考。

1 有限元建模

1.1 整體模型

采用ABAQUS有限單元分析軟件進行四跨連續梁橋建模分析,如圖1所示。根據《鋼板組合梁橋通用圖》[4]建立四跨連續鋼板組合梁橋整體模型,主梁采用雙主梁結構形式,橋寬為12.25 m,主梁間距為6.75 m,鋼梁高度為1.75 m,組合梁高度為2.15 m。主梁之間采用橫梁形式,跨內橫梁為小橫梁,中支點橫梁B、C、D為中橫梁,端支點橫梁A、E為大橫梁,橫梁標準間距為7 m,豎向加勁肋均勻分布在全橋,間距為2.3～2.4 m。

圖1 鋼板組合梁橋整體模型

為便于計算分析,全橋模型選取等截面形式,不考慮主梁上下翼緣以及腹板的厚度變化,僅考慮豎向加勁肋以及橫向連接系的構造變化。鋼主梁采用工字形直腹板鋼梁,鋼材型號為Q345,有限元模型中不考慮鋼主梁與鋼筋混凝土橋面板之間的滑移,采用Tie連接方式(在剛度數據傳遞上相當于兩個面剛性連接,綁定區域不發生相對運動和變形,剛度較大;在約束形式上Tie約束為面對面的約束,主要是用于點和面以及面與面之間的綁定約束)。小橫梁、無橫梁處主梁截面采用如圖2所示橫截面尺寸。

圖2 橋梁橫截面(mm)

模型整體采用實體建模,單元類型為C3D8R,橋面板網格尺寸為100 mm,鋼主梁網格尺寸為50 mm。簡化鋼筋混凝土橋面板為各向同性材料,彈性模型選取鋼筋混凝土等效值,密度為0.25 g/cm3,彈性模量為35.5 GPa,泊松比為0.2;主梁Q345鋼材彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。

1.2 節段模型

為了更深入地研究主梁與豎向加勁肋連接細節的疲勞應力,選取圖1縱向長度均為1 m的右邊跨節段Ⅰ無橫梁處主梁與右中跨節段Ⅱ小橫梁處主梁作為節段模型,尺寸為12.25 m×1 m×2.16 m。主梁腹板厚度20 mm,腹板間隙高度50 mm,焊腳尺寸12 mm。無橫梁處豎向加勁肋寬280 mm、厚16 mm;小橫梁處橫梁高400 mm,豎向加勁肋寬350 mm、厚20 mm。節段模型采用C3D8R單元,在整體模型的基礎上,細化節段模型腹板間隙尺寸,更精確地分析腹板間隙應力情況。圍焊端部與焊縫高度網格尺寸為2 mm,豎向加勁肋與上翼緣的連接焊縫長度的網格尺寸為5 mm,腹板與豎向加勁肋焊縫長度的網格尺寸為10 mm,腹板與上翼緣的連接焊縫長度的網格尺寸為10 mm,工字梁其余細節網格尺寸為25 mm,橫向連接系中部網格尺寸為100 mm。無橫梁處主梁節段模型與小橫梁處主梁節段模型分別如圖3所示。

圖3 節段模型

圖4 順橋向加載工況

圖5 橫橋向加載工況(mm)

1.3 加載工況

疲勞荷載選用《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)中的單車模型。疲勞車的軸間距為1.2 m+6 m+1.2 m,車輪間距為2 m,雙輪面積為0.6 m×0.2 m,單側軸重為120 kN。采用標準疲勞車荷載作為分析荷載,疲勞車荷載加載位置按照圖4和5進行布載。

為了研究偏心荷載在通過橋梁時主梁的相對豎向位移以及腹板與豎向加勁肋連接細節處的應力變化,取鋼主梁腹板與下翼緣連接處為計算分析點,將荷載按照順橋向加載157個工況和橫橋向加載8個工況下對整體模型與節段模型分別計算鋼主梁豎向位移差及腹板與豎向加勁肋連接細節應力的變化。

順橋向加載(即縱向加載)考慮橋梁結構的對稱性,按照順橋向將疲勞車荷載從未上橋到移動通過全橋跨中位置。工況1是疲勞車荷載的前輪上橋后順橋向移動500 mm處(即縱向位置500 mm);工況2是疲勞車荷載在工況1基礎上繼續順橋向移動500 mm處,之后155個加載工況依次將疲勞車荷載順橋向移動500 mm,共157個加載工況。圖4展示了順橋向加載第1和157個工況疲勞車荷載的縱向位置。

橫橋向加載(即橫向加載)是按照疲勞車荷載縱向中軸線偏離橋梁縱向中軸線不同距離(疲勞車荷載偏移距離)的加載,如圖5所示。工況Ⅰ為疲勞車荷載偏移400 mm(即橫向位置400 mm),工況Ⅱ為疲勞車荷載偏移800 mm,之后6個加載工況依次將疲勞車荷載偏移400 mm,共8個加載工況。

2 主梁豎向位移差分析

2.1 縱向加載下主梁豎向位移差

主梁之間的豎向位移差是導致鋼板梁出現疲勞裂紋的主要原因,因此對不同車輛荷載位置下的雙主梁豎向位移進行研究,明確受力不利的主梁及不利的縱、橫向荷載位置。由于車道中心線與橋梁縱軸線并不重合,加上車輛行駛的隨機性,當車輛荷載作用在結構上后,兩主梁不可避免地發生相對豎向位移。為研究兩主梁豎向位移差分布特征,選取疲勞荷載偏移1 200 mm的工況Ⅲ,從整體模型中提取右邊跨及右中跨跨內無橫梁及小橫梁處兩主梁的豎向位移,并計算每個無橫梁截面和小橫梁截面處兩主梁之間的豎向位移差,結果見圖6,無橫梁截面和小橫梁截面順橋向編碼從1至28,如圖7所示。

圖6 縱向加載下主梁豎向位移差

由圖6(a)和6(b)可得:疲勞荷載位于右邊跨跨內時,右邊跨的兩主梁相對豎向位移表現明顯;疲勞荷載位于右中跨跨內時,右中跨的兩主梁相對豎向位移表現明顯。疲勞荷載位于跨中位置附近時對兩主梁相對豎向位移影響較大,且在疲勞荷載作用下,引起跨中附近兩主梁豎向位移差總是較其他位置處更大。由圖6(c)可得:兩主梁最大豎向位移差在單跨范圍內呈先增大后減小趨勢,最大值出現在單跨跨中附近。由于連續梁橋的結構特點,疲勞荷載只有位于所研究節段主梁所處的某跨上才會對該跨主梁的豎向位移差有明顯影響,因此,縱向荷載對主梁豎向位移差的影響范圍在單跨以內。疲勞荷載位于跨中位置附近的加載工況會引起兩主梁較大的豎向位移差,且跨中位置附近是產生最大豎向位移差的不利位置。

2.2 橫向加載下主梁豎向位移差

選取雙主梁鋼板梁右邊跨跨中無橫梁截面7和右中跨小橫梁截面20的腹板與下翼緣連接細節處,分別提取兩主梁的豎向位移,計算不同橫向位置下疲勞荷載引起的雙主梁豎向位移差,研究疲勞荷載橫向位置對雙主梁豎向位移差的影響,結果見圖8。

圖7 橫梁截面順橋向編碼

圖8 橫向加載下主梁豎向位移差

由圖8可得:當疲勞荷載縱向位置位于右邊跨跨內時,無橫梁截面7處主梁相對豎向位移表現明顯。當疲勞荷載縱向位置位于右中跨跨內時,小橫梁截面20處主梁相對豎向位移表現明顯,這與2.1節結論相符。隨著疲勞荷載橫向位置加大(即從工況Ⅰ到工況Ⅷ),主梁豎向位移差增大。

將圖8截面7和20處主梁在不同荷載橫向位置上的最大豎向位移差進行對比,結果見圖9。由圖9可得:隨著荷載橫向位置的增大,雙主梁之間的最大豎向位移差呈增大趨勢。無橫梁處主梁因雙主梁之間約束性相對較弱,兩主梁獨立性相對較強,因此雙主梁之間的豎向位移差增幅更明顯;而小橫梁處主梁因主梁受到橫向連接系的約束,豎向位移差增幅相對有所減小。隨疲勞荷載橫向位置的加大,無橫梁處主梁較小橫梁處主梁最大豎向位移差及其增幅都較大。由于截面7和20處主梁所處位置及結構不同,小橫梁處與無橫梁處主梁的約束及豎向位移差存在明顯差異,可能導致不同橫向連接系類型下主梁受力特征的差異。因此,分別對兩類主梁關鍵連接部位的應力特征進行分析。

圖9 橫向加載下主梁最大豎向位移差

3 主梁與加勁肋連接細節的疲勞應力特征

3.1 主梁與加勁肋連接細節的應力

考慮到橋梁結構的對稱性,因此只研究橋梁右邊跨及右中跨主梁與豎向加勁肋連接細節的應力情況。為研究在豎向位移差下引起的主梁與豎向加勁肋連接細節的疲勞應力,比較小橫梁與無橫梁處疲勞應力特征與差異,結合實橋檢測所發現的裂紋位置,從截面7和20處主梁節段模型Ⅰ、Ⅱ中選擇6個分析點,如圖10所示。點1和2為主梁腹板與豎向加勁肋圍焊端部的加勁肋焊趾處和腹板焊趾處,點3為主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處,點4、5、6分別位于點1、2、3關于主梁腹板的外表面。

圖10 主梁與豎向加勁肋連接細節分析點示意

采用橫向加載工況Ⅲ,分別提取無橫梁截面7與小橫梁截面20處主梁節段模型各分析點最大主應力,主梁與豎向加勁肋連接細節各分析點位置隨著車輛縱向移動時,最大主應力變化如圖11所示。由圖11可得:與荷載縱向位置對豎向位移差的影響相同,荷載縱向位置對主梁與豎向加勁肋連接細節疲勞應力的影響范圍為荷載所在跨范圍內。

從圖11(a)可以得到:無橫梁截面7處，主梁與豎向加勁肋連接細節點3處的最大主應力較其他位置更大,且最大主應力始終表現為拉應力,對疲勞性能極為不利,而腹板外表面對應點6處的最大主應力在受影響的跨內大多以明顯較小的壓應力為主。點1和2處的最大主應力為壓應力且始終保持壓應力,應力也明顯較小,而腹板外表面對應點4和5處的最大主應力為拉應力且始終保持拉應力,應力小于點3處。因此,主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處為無橫梁截面7處主梁的易疲勞位置。

從圖11(b)可以得到:小橫梁截面20處，主梁與豎向加勁肋連接細節點1和2處的最大主應力較其他位置更大,且表現為拉應力,對疲勞性能極為不利,而腹板外表面對應點4和5處的最大主應力大多表現為應力很小的拉應力。點3處的最大主應力在受影響的跨內大多以明顯較小的壓應力為主,而腹板外表面對應點6處的最大主應力為拉應力且始終保持拉應力,應力小于點1與2處。 因此,主梁腹板與豎向加勁肋圍焊端部的焊趾處為小橫梁截面20處主梁的易疲勞位置。

圖11 連接細節分析點最大主應力

相對于無橫梁處主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處(點3)的最大主拉應力,小橫梁處主梁腹板與豎向加勁肋圍焊端部的焊趾處(點1和2)的最大主拉應力都明顯較高;且與無橫梁處相比,小橫梁處腹板外表面點4和5的應力都明顯較小;另外點6處總是與對應點3處的主應力的拉壓性質相反,表現為平面外變形引起。當主梁處無橫梁結構時,由于鋼筋混凝土橋面板的約束作用,在兩主梁產生相對位移時就會引起主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處有較大拉應力,最不利疲勞位置就會出現在主梁腹板與下翼緣連接焊縫的焊趾處;當主梁處有小橫梁結構時,由于小橫梁對兩主梁相對豎向位移的制約作用,導致連接小橫梁的豎向加勁肋與主梁腹板的圍焊端部產生更大的拉應力,導致最不利疲勞位置出現在豎向加勁肋圍焊端部的焊趾處。

3.2 最大主應力方向

為了分析主梁與豎向加勁肋下部連接細節的最大主應力分布情況,選取應力較大的點1、2及3所在連接細節,研究工況Ⅲ及工況Ⅵ無橫梁截面7與小橫梁截面20處主梁的連接細節的最大主應力矢量圖。結果發現：荷載橫向位置主要影響兩種工況的最大主應力數值,對最大主應力分布的影響并不明顯。因此，提取疲勞荷載工況Ⅲ無橫梁截面7與小橫梁截面20處主梁與豎向加勁肋下部連接細節的最大主應力矢量圖，如圖12所示(圖中箭頭方向即為主應力方向,箭頭長短代表主應力大小)。

圖12 連接細節最大主應力方向

由圖12可知:對于無橫梁截面7處主梁,點3附近最大主應力方向與腹板內表面大致呈45°夾角,表現為從平行焊縫外壁向平行腹板平面的過渡方向。若在長期荷載反復作用下經受循環拉應力的作用,連接焊縫將成為無橫梁處主梁的疲勞易損部位;對于小橫梁截面20處主梁,點1和2附近最大主應力方向基本平行于焊縫外壁,對端部焊縫的疲勞性能極為不利,若該部位存在焊接缺陷,則會沿著垂直焊縫表面的方向出現疲勞裂紋,這與實橋檢測鉆芯取樣得到的疲勞裂紋開裂深度方向特征一致[20]。

對于無橫梁處與小橫梁處主梁,主梁與豎向加勁肋下部連接細節的最大主應力分布存在差異,原因主要是小橫梁結構對兩主梁相對豎向位移的約束作用,導致小橫梁處主梁豎向加勁肋圍焊端部出現較大拉應力,成為疲勞易損部位。根據其主應力方向判斷,該細節開裂后在深度上會向腹板厚度擴展,嚴重時可能出現貫穿腹板的情況,影響結構的整體安全性能,是鋼板組合梁橋主梁養護過程中應重點關注的部位。

4 結論

1)疲勞車荷載縱向和橫向位置對小橫梁形式的鋼板組合梁橋主梁豎向位移差的影響較大,順橋向影響范圍為荷載所在跨范圍內;隨荷載橫向位置的加大,無橫梁較小橫梁處主梁豎向位移差及其增幅都較大。

2)是否設置橫向連接系直接影響主梁腹板與加勁肋的開裂部位。無橫梁處主梁在主梁腹板與下翼緣連接焊縫焊趾處的主拉應力較大,為無橫梁處主梁的疲勞易損位置;小橫梁處主梁在豎向加勁肋與主梁腹板圍焊端部焊趾處的主拉應力較大,為小橫梁處主梁的疲勞易損位置。

3)小橫梁與無橫梁兩種情況下主梁與豎向加勁肋下部連接細節的最大主應力分布不同,但兩種情況下的最大主拉應力方向基本為平行于各自疲勞易損部位的焊縫外壁或呈一定角度,若開裂將在深度上向腹板厚度方向擴展,嚴重時將貫穿腹板,影響整體安全性能。