关于横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板疲劳性能影响的探索

作者：郑晓敏

缺口形式对于横隔板的应力分布影响极大，不同类型的缺口形式会明显改变其应力状态。横梁（横隔板）腹板上让纵肋通过的开孔处（缺口处）应力集中现象较为明显。因此，横隔板的缺口形式对纵肋、横隔板和盖板连接处的应力分布有很大的影响。本文借助有限元分析软件，对梯形加劲肋及矩形加劲肋与不同缺口形式的横隔板组合的正交异性钢桥面板劲建立有限元分析模型进行分析。

1计算模型

1.1结构参数和缺口形式

    如图1所示，梯形加劲肋的厚度为8mm，上口宽300mm，下口宽170mm，肋高280mm。加劲肋侧板与底板采用直线折角连接(图1a定义为加劲肋A)、圆弧连接（图1b定义为加劲肋B），梯形加劲肋与加劲肋底板与侧板采用直角连接的矩形加劲肋（图1c定义为加劲肋C，图1d定义为加劲肋D）。2个相邻纵向肋的间距为600mm。

    横隔板缺口形状如图2～4所示（以加劲肋A，B为例），分别定义缺口I、缺口Ⅱ、缺口Ⅲ。为比较横隔板有无缺口对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响，对横隔板无缺口形式也进行有限元分析并进行对比，如图5所示。模型取局部正交异性板体系为研究对象，以纵向为行车方向。正交异性板宽4. 8m（含8个纵向闭口加劲肋），板长0.005m+3. 75×3m+0.005m=11. 26m(横隔板间距3. 75m)。其具体计算模型如图5，6所示。

1.2  材料参数

    模型均采用16Mnq低合金钢材，主要物理指标如下：弹性模量E为2.1×105 M Pa，剪切模量G为8.1×104 M Pa，泊松比弘为3.0。根据国内外研究资料及英国桥梁规范BS5400，确定了疲劳循环次数Ⅳ和应力幅，的对应关系，如表1所示。

1.3  荷载布置

    在静力分析计算中，根据《公路工程技术标准》JTG B01-2003及《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004中车辆荷载的2根重轴(每根轴重140kN)进行加载。规范规定将每侧双轮转化为单轮轮重70kN，车轮与铺装层接地面积取0.6m（宽）×0. 2m（长），不考虑冲击系数则铺装层表面所受荷载为0. 583MPa，偏安全考虑，不考虑荷载扩散作用，认为钢桥面板上车轮均布荷载也为0. 583MPa。横向加载位置采用车载对称施加于一加劲肋的正上方，纵向加载位置作用在跨中。荷载位置在具体分析时具体确定。

    在疲劳分析时，采用英国规范BS5400所规定的公路桥标准荷载谱。其中以30kN为营业车的最小重力，重力< 30kN的所有车辆对疲劳的影响很小，均忽略不计。标准疲劳车如图7所示。

    根据弹性理论计算的应力应考虑冲击系数，但疲劳强度验算与静力强度验算冲击系数不同，一是应针对典型或平均意义上状况而不是极端最不利的状况，二是针对应力幅而不是应力峰值。美国Schilling的试验和理论研究指出在实际交通状况下单辆货车引起的冲击系数一般要<0. 25。BS5400规定一般不考虑冲击影响，仅在路面伸缩缝前后5m范围内加载时考虑，且冲击系数的最大限制也是0. 25。美国AASHTO的钢桥疲劳指导性规范提出采用0. 15的冲击系数，看来是较合适的折中方案。本文在研究时，暂且采用0. 15的冲击系数。

1.4  基本假设和边界条件

    力学分析时，钢桥面板和铺装层自重不计。边界条件采用钢板无水平位移而允许竖向位移，即横向边缘无横向水平位移，纵向边缘无纵向水平位移，横隔板在底部固结。

2不同缺口形式横隔板的正交异性钢桥面板静力分析

2.1  横隔板不同缺口形式对正交异性钢桥面板力学性能的影响

    为分析横隔板不同缺口形式对正交异性钢桥面板的影响，采用4种纵向加劲肋截面形式，3种缺口形式及无缺口，进行有限元分析。纵向加劲肋和隔板三者连接处的最大主应力、最大横向拉应力、最大纵向拉应力与缺口形式的关系如图8所示。

    从图8分析可以得出，在无缺口及3种缺口形式中，无缺口的4种加劲肋数据比较接近，且相对较小，但从实际情况考虑，无缺口形式对安装施工不方便，而且不能使加劲肋与顶板的焊缝纵向贯通，还使纵肋下边缘与隔板相交，造成纵向焊缝、横向焊缝、竖向焊缝的交叉点，使得交叉处的应力和变形变得非常复杂；另外焊缝性质与钢材性质的差异，在有限元分析时，无缺口的应力集中现象体现程度要低于其他3种缺口的情况。所以在该种情况下的应力数值应进行修正，根据ASME规范第Ⅷ卷第二册附录5以疲劳分析为基础的设计中规定，对于焊缝连接用有限元分析时，可采用应力集中系数或疲劳强度折减系数来修正，其规定角焊缝疲劳强度折减系数≥4。如按疲劳强度折减系数4来修正，则修正后无缺口的应力数值将高于3种缺口形式的应力数值。

    比较3种缺口对桥面板与纵向加劲肋连接处的应力影响程度，缺口Ⅲ情况下数值较大，缺口I其次，缺口Ⅱ数值最小。对于桥面板与横隔板连接处3种缺口形式对主应力的影响程度，缺口Ⅲ情况下数值较大，缺口Ⅱ其次，缺口I数值最小；对于纵横向最大拉应力，以缺口Ⅱ情况下的数值最大。

    缺口Ⅱ的数值较大，缺口I和缺口Ⅲ的数值较为接近，从最大主应力和横向最大拉应力考虑，缺口Ⅲ稍优于缺口I这种缺口形式。从顶板、隔板、纵肋三者连接处的应力分布来看，纵向加劲肋与横隔板连接处的应力数值大于其他两种连接处的应力，所以隔板缺口及隔板与纵肋和顶板连接处的应力分布情况是关注的重点。因此，从缺口形式对横隔板的应力影响程度来看，缺口Ⅱ的应力水平最大，缺口Ⅲ和缺口I两种缺口形式比较接近，其最大应力数值均明显小于缺口Ⅱ的最大应力数值。从总体上来考虑，缺口Ⅲ形式稍优于缺口I。

2.2  钢桥面板、纵肋、横隔板连接处的应力状态

    正交异性钢桥面顶板与纵向加劲肋和横隔板之间的连接处在结构产生疲劳裂纹或结构发生破坏时受到的影响非常敏感。本文对4种截面形状纵向加劲肋在无缺口和缺口I，Ⅱ，Ⅲ4种缺口类型下进行有限元分析。从有限元分析得出，无论是最大主应力还是横向最大拉应力和纵向最大拉应力位置都在横隔板上缺口与桥面顶板连接处；在横隔板下缺口与纵向加劲肋连接处以及下缺口转折处应力值也较大，另外横隔板下缺口底部最大主应力也相对较大；在横隔板缺口中部与纵向加劲肋连接处最大主应力与横向（x方向）最大拉应力较大，到达连接下端点时，达到其局部最大值。因此，横隔板缺口边缘的应力集中较为明显，横隔板与桥面顶板的连接处是疲劳分析的关注点。

    通过比较各种加劲肋正交异性钢桥面系在不同缺口类型下情况的顶板、顶板与纵肋连接处、顶板与横隔板连接处以及纵肋与隔板连接处（隔板缺口附近区域）的最大主应力以及纵横向最大拉应力可以得知，缺口Ⅱ的应力集中较为明显，缺口Ⅲ和缺口I两种缺口形式比较接近，其最大应力数值均明显小于缺口Ⅱ的最大应力数值，缺口Ⅲ的形式略微优于缺口I的形式。

3不同缺口形式对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响

    为对车辆移动荷载进行数值模拟，采用单迹法加载，考虑冲击系数0. 15，根据荷载谱，依次让其中的每一模型车辆单轴荷载从模型纵向的一端行驶至另一端，对于结构的某一验算点，将汽车荷载在桥面不同位置处的应力算出，从而得出相应的应力历程线，并根据应力历程线推算其相应的应力（频值）谱。根据应力频值谱，根据Miner累积损伤定律进行疲劳损伤度以及疲劳寿命的计算。求得加劲肋A，B，C3种横隔板缺口形式累计损伤度及预期疲劳寿命如表2及图9所示。

    由表2及图9可以分析得出，缺口Ⅱ类型的结构体系预期寿命要短于缺口I和缺口Ⅲ类型的结构体系，缺口I类型结构体系比缺口Ⅱ类型结构体系预期寿命长2～5年；缺口Ⅲ类型的结构体系预期寿命在3种缺口类型中预期寿命最长，比缺口I类型结构长5年左右，比缺口Ⅱ类型结构体系长10年左右。

4结语

    1)疲劳分析的基础是静力分析，横隔板缺口形式对结构疲劳性能影响和静力分析的结论是相一致和吻合的。    

2)横隔板缺口边缘的应力集中较为明显，横隔板与桥面顶板的连接处是疲劳分析的关注点。

    3)缺口Ⅱ的应力集中较为明显，缺口Ⅲ和缺口I两种情况比较接近，最大应力明显小于缺口Ⅱ，缺口Ⅲ的形式稍优于缺口I。

4)在3种缺口类型中，缺口Ⅱ的应力水平最大，其疲劳性能也低于其他2种缺口类型；缺口Ⅲ类型的结构体系疲劳性能优于其他2种类型结构体系，其预期寿命比缺口I类型结构长5年左右，比缺口Ⅱ类型结构体系长10年左右。

5[摘要]以梯形及矩形截面形状的纵向加劲肋组合3种缺口类型的横隔板，建立正交异性闭口加劲钢桥面板有限元实体模型进行加载，用ANSYS程序计算分析了横隔板不同缺口形式的正交异性钢桥面板力学性能、正交异性钢桥面板、纵肋、横隔板三者连接处的应力状态以及不同缺口形式的正交异性钢桥面板疲劳性能，研究了横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板静力力学性能以及疲劳性能的影响。