城市立交桥异形钢箱梁疲劳性能研究.pdf

工程前沿11工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月摘要：异形钢箱梁桥结构复杂，在车辆荷载反复作用下容易出现疲劳破坏。鉴于此，文章分析了疲劳应力、应力循环次数、应力集中等因素对异形钢箱梁桥疲劳破坏的影响。同时，以某城市立交桥为研究对象，利用有限元软件 ANSYS 建立计算模型，分析了横向轮迹分布和铺装层对异形钢箱梁疲劳应力幅的影响规律，研究成果可为类似项目的设计提供科学的理论指导。关键词：异形钢箱梁；疲劳破坏；影响因素；有限元；应力幅Abstract:The structure of irregular steel box girder bridge is complex,and it is prone to fatigue failure under the repeated action of vehicle load.In view of this,the influence of fatigue stress,stress cycle times,stress concentration and other factors on the fatigue failure of irregular steel box girder bridge is analyzed.At the same time,taking a city interchange as the research object,the finite element software ANSYS is used to establish the calculation model,and the influence of wheel trace transverse distribution and pavement layer on the fatigue stress range of irregular steel box girder is analyzed.The research results can provide scientific theoretical guidance for the design of similar projects.Key Words:irregular steel box girder;fatigue failure;influencing factor;finite element;stress range分类号：U441异形钢箱梁桥由于具有质量轻、跨越能力大、施工方便、线型流畅等优点，能很好地衔接桥面交通和地面交通，在城市立交中取得了广泛使用。同时，异城市立交桥异形钢箱梁疲劳性能研究吴慧山华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000Research on Fatigue Performance of Irregular Steel Box Girders for Urban InterchangesWU HuishanChina Design Group Co.,Ltd.,Nanjing 210000,Jiangsu,China004.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.形钢箱梁桥结构截面变化大，受力机理复杂。如果选择设计参数不合理，在车辆荷载反复作用下结构容易发生疲劳破坏，严重影响桥梁工程的正常运营使用。因此，进一步研究城市立交桥异形钢箱梁疲劳破坏影响因素及性能具有十分重要的工程价值。1 异形钢箱梁疲劳影响因素及分析方法1.1 异形钢箱梁疲劳破坏影响因素在分析城市立交桥异形钢箱梁疲劳性能前，应对疲劳破坏的影响因素有全面的认识。异形钢箱梁疲劳破坏是多种因素共同作用的结果，可分为内因（钢材材料属性）和外因（疲劳应力、应力循环次数、应力集中等）两类，文章主要分析外在因素对异形钢箱梁疲劳破坏的影响1。（1）疲劳应力。车辆、人群、地震等荷载均可能成为导致钢箱梁疲劳破坏的疲劳荷载。相关研究表明：即使钢箱梁桥在设计时强度储备足够，也可能在运营期间发生破坏。这是因为在疲劳荷载的循环作用下，钢结构局部会产生疲劳应力，具体参数如表 1（见下页）所示，引起细微裂纹。裂纹会在循环应力作用下继续扩展，最终导致桥梁结构出现脆性断裂。需注意，对于焊接而成的钢结构，应力循环并非从最大主应力 max开始，而是由屈服强度开始。（2）应力循环次数桥梁结构产生疲劳破坏所需的应力循环次数，称为“疲劳寿命”。在疲劳寿命下桥梁结构能承受的最大应力，称为“疲劳强度”。疲劳寿命用 N 表示，疲劳强度用 S 表示，使用双对数坐标可构建出 S-N 疲劳强度曲线。钢箱梁结构的 S-N 曲线拐点大多在 107之前，此时可认为：如果桥梁结构在 107次作者简介：吴慧山，男，硕士，工程师，研究方向为桥梁设计。12 工程前沿 2023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究应力循环作用下不破坏，就能够承受无限应力循环。（3）应力集中。应力集中是指异形钢箱梁结构某一点的应力突然增大，且远大于周围应力水平。应力集中常发生的部位是结构截面突变处，非焊接构件的凸起、凹陷、刻痕等处，以及焊接结构的气孔等位置。1.2 异形钢箱梁疲劳分析方法目前，研究异形钢箱梁疲劳还是基于 S-N 曲线，常用方法有名义应力法和热点应力法2。（1）名义应力法。该方法是以作用于构件上的“名义应力”来分析结构的疲劳状态，计算时可结合桥梁受力特选择梁、板、壳等弹性理论。以正应力 为例，其典型计算见式（1）：NMyAI=+（1）式中：N 为构件所受轴力；M 为构件所受弯矩；A为横截面积；I 为截面惯性矩；y 为应力点至中性轴的距离。名义应力法计算简单，但对于构造复杂的结构，可能缺乏相对应的 S-N 曲线。为了准确评估结构疲劳状态，可与其他方法联合使用。（2）热点应力法。结构的热点应力可依据线弹性力学理论、有限元方法等推算。与名义应力法相比，热点应力法无须考虑应力集中因素，也避免了疲劳性能分析时对 S-N 曲线的依赖性，只需考虑构件连接位置的荷载参量和宏观尺寸，适用于计算复杂的空间三维结构受力。2 异形钢箱梁横向轮迹分布文章研究对象为某城市立交桥，异形钢箱梁桥面板为正交异性钢桥面板结构（带 U 型加劲肋的），采用Q235C 高强低合金钢材，平面布置图如图 1 所示。正交异性钢桥面板结构的主要疲劳细节有纵肋盖板焊缝、纵肋对接焊缝、盖板对接焊缝等，这些疲劳细节对车载敏感性较低，对轮载敏感。而车辆轮载在正交异性钢桥面板的横向分局具有一定的随机性，轮载在桥面位置不同，各疲劳细节的应力响应也有很大差异。因此，研究异形钢箱梁轮迹横向分布对于分析其疲劳性能意义重大。根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）（以下简称规范），桥梁疲劳荷载计算模型有三种，其中疲劳荷载计算模型采用单车模型，可用于计算正交异性板的疲劳应力。该模型将车轮的横向分布划分为 5 个加载区域，加载区域 1 5 的分布概率分别为 50%、18%、18%、7%、7%。由此可知，区域 1 是在正交异性板的最不利加载位置3。3 异形钢箱梁疲劳性能分析3.1 有限元模型建立（1）网格划分。在 ANSYS 软件中，网格划分对计算效率和计算结果有决定性的作用。参考其他研究成果，网格划分采用正四面体实体单元，网格尺寸取 10 cm，共划分为 19 088 个单元、28 156 个节点。（2）边界条件。异形钢箱梁桥的上部结构与桥墩连接处采用铰接连接模拟，支座用弹性连接模拟，支座顶部与梁体用刚性连接模拟，支座底和桥墩顶采用半刚性支承模拟。同时，顺桥向 U 肋两端设置为竖向简支，横桥向横隔板两侧限制向下的变形4。（3）疲劳细节选择。文章在分析异形钢箱梁桥的疲劳性能时，共选择了 4 个疲劳细节，分别命名为 1#、2#、3#、4#，所对应的具体位置分别为 U 肋与顶板横隔板的相交处、U 肋与顶板连接处，U 肋对接处、横隔板与 U 肋相交处。各个疲劳细节的参考点所在位置分别为顶板、底板、U 肋、横隔板。应力名称计算公式备注最大主应力 max、最小主应力 min、平均应力 mm=（max+min）/2拉应力为正，压应力为负应力幅=max-min仅承受压应力的结构不需要抗疲劳设计应力比 PP=max/min正值或正值均可，分别表示拉应力循环、拉-压应力循环表 1 钢箱梁疲劳应力参数R梁板转角半径；梁板倾角。图 1 异形钢箱梁桥平面布置图（单位：mm）R=10 000R=10 00012 000R=10 000R=10 000 工程前沿13工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月（4）桥面结构加载方案。根据第 2 节内容，桥面结构加载可采用规范中的疲劳荷载计算模型所对应的标准疲劳车，同时考虑桥面铺装层对车轮荷载的应力扩散作用。异形钢箱梁桥的具体加载过程如下5：第一，先沿着车道中心线纵向移动标准疲劳车，以得到 1#、2#、3#、4#疲劳细节在桥面纵向的最不利位置；第二，各疲劳细节的纵向最不利位置确定后，再根据轮载在桥梁的横向分布概率进行加载，共 5 条加载迹线。3.2 轮载横向加载频率对异形钢箱梁桥疲劳应力影响利用有限元软件 ANSYS 计算了 5 个加载区域下（轮载分布概率与第 2 节内容对应），1#4#疲劳细节的应力幅，计算结果如表 2 所示。表 2 不同加载区域下各疲劳细节的应力幅 单位：MPa由表 2 计算结果可知：在横向加载区域相同的前提下，异形钢箱梁桥各疲劳细节的应力幅大小关系如下：1#疲劳细节 2#疲劳细节 3#疲劳细节 4#疲劳细节；而对于同一疲劳细节，在加载区域 1 的应力幅最大，在加载区域 5 的应力幅最小，且在加载迹线由 1 5 变化过程中，1#4#疲劳细节的应力幅呈减小趋势。3.3 桥面铺装对异形钢箱梁桥疲劳应力影响由规范可知，异形钢箱梁桥的桥面铺装厚度宜 80 mm，工程中通常用 40 80 mm。利用有限元软件 ANSYS 计算出桥面铺装层厚度为 40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm 时，异形钢箱梁桥各个疲劳细节的应力幅，计算结果如图 2 所示。由图 2 计算结果可知：不同桥面铺装厚度下，异形钢箱梁桥的各疲劳细节的应力幅变化趋势基本一致。即随着桥面铺装厚度的增加，各疲劳细节的应力幅不断减小，且两者之间基本呈线性负相关关系。以1#疲劳细节为例，当桥面铺装厚度由 40 mm 增加至 80 mm，其应力幅增长幅度分别为 4.85%、8.58%、3.81%、18.70%。4 结论文章研究了异形钢箱梁疲劳破坏影响因素、分析方法、横向轮迹分布规律，并提托某城市立交桥，利用有限元 ANSYS 计算了其在不同工况下的应力幅，主要得出以下结论：（1）异形钢箱梁疲劳性能与疲劳应力、应力循环次数、应力集中等因素，常用名义应力法和热点应力法进行分析；（2）轮载在桥面横向的分布频率对钢箱梁的疲劳应力响应，计算时可采用疲劳荷载计算模型；（3）异形钢箱梁桥的加载迹线由 1 5 变化过程中，1#4#疲劳细节的应力幅呈减小趋势，最大应力幅在加载区域 1；（4）异形钢箱梁桥各疲劳细节的应力幅随桥面铺装厚度的增加不断减小。参考文献1 沈翔,吉伯海,肖龙,等.钢箱梁横隔板-U 肋疲劳裂纹钢板加固参数分析J.科学技术与工程,2022,22(34):15245-15251.2 施颖,罗东海,孟科坦.轮迹横向分布对异形钢桥面板疲劳性能的影响J.浙江工业大学学报,2018,46(6):660-665.3 渠昱.钢箱梁正交异性桥面板疲劳机理研究D.重庆:重庆交通大学,2018.4 杨仕力,施洲.我国大跨径钢箱梁桥正交异性板疲劳损伤研究现状J.桥梁建设,2017,47(4):60-65.5 陈卓异,李传习,柯璐,等.某悬索桥钢箱梁疲劳病害及处治方法研究J.土木工程学报,2017,50(3):91-100.405060708010121416182022242628应力幅/MPa桥面铺装厚度/mm1#疲劳细节2#疲劳细节3#疲劳细节4#疲劳细节图 2 不同铺装厚度下各疲劳细节应力幅横向加载区域1#疲劳细节 2#疲劳细节 3#疲劳细节 4#疲劳细节加载区域 128.827.218.312.9加载区域 227.124.316.611.3加载区域 325.523.815.810.9加载区域 419.919.511.8 8.2加载区域 518.418.211.2 7.6