高坎桥正交异性钢桥面板的疲劳分析

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1、高坎桥正交异性钢桥面板的疲劳分析包龙生，朱春莹，于玲，曹鑫39高坎桥正交异性钢桥面板的疲劳分析包龙生。朱春莹，于玲，曹鑫(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168)摘要：为了解正交异性钢桥面板的抗疲劳性能，以高坎桥为背景，采用MIDAS／FEA计算该桥桥面板主要构造细节的疲劳应力幅，运用线弹性断裂力学分析方法对横隔板的疲劳扩展寿命进行估算。计算结果表明，钢桥面板、纵肋和横隔板间的连接部位最大应力幅均小于常幅疲劳限值，但其中的横隔板弧形缺口边缘应力集中较严重。通过线弹性断裂力学疲劳分析，横隔

2、板弧形缺口边缘裂纹长度从1mm扩展到临界裂纹尺寸553mm要经过1．23×1O次应力循环。‘关键词：正交异性钢桥面板；断裂力学；应力强度因子；疲劳寿命；分析中图分类号：U441．4文献标志码：A文章编号：1671—7767(2013)06—0039—041引言桥，跨径布置为48m+2×180m+48m，总长456正交异性钢桥面板是由纵、横向相互垂直的加m。加劲梁采用等高度整体式带挑臂扁平钢箱梁劲肋连同桥面顶板组成的共同承受车轮荷载的结(见图1)，钢箱梁全宽42．54m，标准梁高4．0m，标构。正

3、交异性钢桥面板的自重约为钢筋混凝土桥面准梁段长9m，采用Q345钢材。钢箱梁横向在行车板或预制预应力混凝土桥面板的1／3～1／2，因而较道和中央隔离带范围内为封闭箱形结构，在非机动常应用于大跨度悬索桥和斜拉桥中。车道范围内为底面敞开的挑臂结构。桥面板为正交正交异性钢桥面板由纵肋、横肋和面板焊接而异性板结构，加劲肋主要采用刚度较大的U形肋形成，焊缝交叉处设弧形缺口。在车辆荷载作用下，各式，局部位置根据构造要求采用扁钢加劲形式。全部件及各部件连接处产生的应力、变形较复杂，并且桥梁段共划分为28种类型

4、，共55个梁段。存在焊接残余应力、应力集中现象，经过反复荷载作用极易发生疲劳破坏。正交异性板的疲劳破坏l_】]现3基于线弹性断裂力学的疲劳研究方法象最早在英国、德国被发现，研究人员发现在钢桥面针对焊接钢桥的疲劳研究，现阶段主要有2种板的构造细节薄弱部位产生了不同程度的疲劳裂方法：应力～寿命分析法和基于线弹性断裂力学纹]。由于钢桥面板不易更换，产生裂纹后不易被(LEFM)的结构寿命评估方法。应力～寿命分析法发现，修补也比较困难，因此有必要对正交异性钢桥利用S～N曲线和Miner线性累积损伤法则进行

5、疲面板的疲劳问题进行研究。劳寿命评估，是世界各国进行钢桥疲劳设计和寿命评估的主要方法。LEFM法的最显著特点是既能2工程概况判定初始裂纹尺寸在给定的应力幅值下是否会继续高坎桥主桥为4跨连续独塔自锚式钢箱梁悬索扩展，也可以基于结构的裂纹和缺陷等状态来评估图1钢箱梁标准截面示意收稿日期：2013—05—27基金项目：住房和城乡建设部科学技术项目(2O12一K2—31)；高校优秀科技人才支持计划(LR2013025)；辽宁省“百千万人才工程”人选项目择优资助(2012921047)作者简介：包龙生(1

6、971一)，男，教授，1995年毕业于沈阳建筑工程学院公路与城市道路专业，工学学士，2000年毕业于沈阳建筑工程学院结构工程专业，工学硕士，2008年毕业于长安大学道路与铁道专业，工学博士(E～mail：13516094255@163．com)。40世界桥梁2013，41(6)结构的疲劳寿命，因此将其应用于焊接钢桥的疲劳210GPa，泊松比)，一0．3。计算模型横向取4条U分析比较合适。肋宽度，纵向截取实桥行车方向4倍横隔板间距长LEFM法以应力强度因子K来表征裂纹尖端度，横隔板高度为0．75m

7、，并约束横隔板下端的所附近区域应力场的强弱，而K是裂纹几何形状和受有自由度。图3为钢桥面板局部有限元模型。载情况的复合参数，即可显示不同裂纹间的差别，又可度量出开裂的严重性。K随应力相应增大，当K增大到某一状态时，将使裂纹顶端足够大体积内的应力达到使材料分离的临界应力状态，从而导致裂纹失稳扩展，此时的临界应力强度因子K可表征材料的断裂韧性，是材料抵抗裂纹失稳扩展的一种能力。基于这一原理，利用断裂力学中最基本的图3钢桥面板局部有限元模型寿命方程即可计算出构件的疲劳寿命E。4．2疲劳应力幅计算N—r

8、I——：。(1)疲劳荷载采用设计标准荷载为总重550kN、最Jn0C(y△~／丁c以)”大轴重140kN的1辆5轴重车。计算应力影响线式中，N为裂纹长度由a。扩展到a的应力循环次采用单轴加载，以均布荷载形式作用在钢桥面板上。数；n为裂纹长度；a。为初始裂纹长度；a为临界裂车辆的横向加载位置采用单迹线法试算，得到的横纹长度；△为应力幅值；)，为形状修正因子；C、为向最不利加载位置如图4所示。取决于材质的系数。1800口四车道中心线口四4钢桥面板的疲劳分析在对高坎桥桥面板结构进行疲劳验算时，选取车辆