波纹钢腹板组合结构抗剪连接件疲劳分析

 王俊坪  袁金容

（1．贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司  贵阳550081;

2．贵州桥梁设计院有限公司  贵阳  550081）

摘要  波纹钢腹板预应力组合箱梁是一种新型的桥梁结构形式，由混凝土顶底板、体外预应力束和波纹钢腹板构成，是对传统的混凝土桥梁的一种改进。波纹钢腹板组合箱梁桥的疲劳，尤其是连接件的疲劳是设计时必须考虑的重要问题。文中基于某波纹钢腹板预应力连续刚构桥，采用BS5400的疲劳设计方法分别建立整体模型和局部模型分析了剪力件的应力历程，对该桥剪力连接件焊缝进行疲劳验算，介绍了疲劳分析的基本方法，证明了该桥剪力连接件在设计基准期内不会发生疲劳破坏。

关键词  BS5400波纹钢腹板剪力连接件应力历程疲劳

 波纹钢腹板预应力组合箱梁是一种新型的结构形式，它是由混凝土顶底板、体外预应力束和波纹钢腹板三者构成的组合结构。与普通混凝土腹板箱梁相比，它恰当地将钢、混凝土结合起来，混凝土顶底板抗弯，波纹钢腹板抗剪，充分发挥了材料的特性。在活载作用下，波纹钢腹板预应力组合箱梁桥连接件可能会出现疲劳损伤，导致连接件失效，因此，连接件的疲劳寿命是组合结构桥梁必须考虑的问题。本文针对某波纹钢腹板预应力连续刚构桥的连接件采用BS5400推荐的方法进行了疲劳验算。

1基本理论和方法

 目前，很多国家都将疲劳计算列入规范，同时提供了疲劳计算的具体过程。本文利用有限元软件Midas Civil建立全桥模型，获得剪力影响线；利用通用有限元软件Ansys建立节段模型，获得剪力件在活载（车道荷载）作用下的应力历程。参考英国桥梁规范BS5400有关疲劳的规定，对抗剪连接件进行疲劳分析。

1.1标准疲劳车

根据BS5400规定，疲劳验算引入标准疲劳车，将其作为一种工具表示标准荷载频值谱的效应。标准疲劳车共4个轴，总重320 kN，见图1。

1.2设计交通量

 交通量可根据相关部门的统计资料，将各种形式的车辆荷载转化为标准疲劳车荷载。由于没有相关统计资料，计算中采用BS5400中统计的交通量作为计算依据。

2工程概况

本桥上部结构中57 m+2×100 m+57 m主桥采用波形钢腹板连续刚构，顶板与钢腹板之间采用了PBL剪力件连接。主桥主梁截面及剪力连接件构造见图2和图3。

为获得活载作用下桥面各截面的剪力影响线，建立了全桥的Midas模型，见图4。疲劳分析中，应力幅决定了构件的疲劳寿命。计算表明，在活载作用下，第三跨截面的剪力变化值较大，同时梁高较小，剪力连接件承受的剪力较大，是疲劳破坏较容易出现的位置。因此，选取该梁段为分析部位，建立了Ansys分析模型见图5。

 模型中，混凝土、剪力件钢板、贯穿钢筋均采用实体单元模拟，钢腹板及顶底板钢板采用板单元模拟，模型梁端刚接质量单元用于加载梁端荷载。计算结果表明，当车辆荷载作用于梁段以外时，梁段内的剪力件的应力较小（约为10-数量级），不会引起疲劳损伤。因此，只考虑标准疲劳车荷载作用于梁段内部的情况。

3计算流程

 根据前面的分析，当标准疲劳车荷载作用于局部模型外时，局部模型内部的剪力连接件应力较小，可忽略其对疲劳损伤的影响，因此论文仅考虑标准疲劳车荷载作用于局部模型内部的情况，并通过以下步骤获得剪力件焊缝的应力历程。

3.1横向加载

为获得焊缝应力的最不利情况，对局部模型进行横向加载，获得焊缝应力的横向影响线（图6，横坐标表示单位力离梁中线的距离，横坐标表示相应应力值）。

3.2纵向加载

由获得的横向影响线可知，当荷载作用于距主梁中心0.9 m处，连接件焊缝将产生最大的主拉应力。将标准疲劳车荷载按照最不利情况加载于局部模型（见图7），同时将Midas模型中所获得的内力作为边界条件，便可获得标准疲劳车分别作用于每个车道上时焊缝的应力纵向影响线，见图8，图中横坐标表示车轴离焊缝的距离，纵坐标表示应力脉）。

3.3焊缝疲劳寿命（单车法）

 单车法以决定细节构造的疲劳寿命为特征，根据Miner线性损伤累积理论可以求得在桥梁设计年限内、在设计交通量下构造细节的损伤累积度，从而判断该构造细节是否会发生疲劳破坏。

根据BS5400单车法计算规定，若某一构造细节的最大、最小应力代数值盯pmax，盯pmi。是由于车辆在同一车道的不同位置产生，则损伤度按每个车道的应力历程例分开来计算，见图9a），b）。当盯pmax，apmin是由车辆在不同分车道产生，则应增加一接力历程例，反映一部分车辆在某2个车道依次交替行驶产生更大的应力幅，见图9c）。对于这种情况，损伤度应把几个车道分开的情况，以及2车道上车辆接力的情况都进行计算，但需对车道交通量做出调整。

根据以上求得的各车道应力历程例，利用泄水法可求得每一应力历程例中所检算的疲劳构造细节的应力脉和应力循环次数。各应力历程中应力循环次数以及应力脉列于表2。

根据营业车年交通量统计表查得A车道车辆数为2．O百万辆，邻车道B车辆数为1.5百万辆，根据接力历程例的交通量计算方法，获得每个历程例的有效交通量。

式中：n。A为72，A的有效值；n。B为行。B的有效值；nA/B为nA/B为的有效值；n。A为通过车道A的车辆数，百万辆／年；n。。为车道B的车辆数，百万辆／年；nA／B反应车辆在2车道交替行驶的数目，百万辆／年，

考虑到影响线长度的不同，需要引入Miner累积损伤度调整系数KF，经计算，对于分开的应力历程KF=1. 45;对于接力历程例KF=1.21。因此，设计年限内总损伤度计算如下。

 设计年限内，疲劳损伤度为0. 014，远小于1．O，因此在设计年限内剪力连接件焊缝不会出现疲劳破坏。

4结语

 论文采用英国规范BS5400中推荐的疲劳计算方法，以一座波形钢腹板预应力连续刚构桥为例，通过对该桥的剪力连接件的疲劳验算，介绍了疲劳分析的基本方法和流程；提供了由整体模型获取局部应力的方法；计算结果表明该桥剪力件在设计年限内不会因为活载作用产生疲劳破坏。