基于切口应力法的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳寿命评估.pdf
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1、桥隧工程基于切口应力法的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳寿命评估邓文宇(广西路桥工程集团有限公司,广西南宁53 0 2 0 0)摘要:文章以钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节为研究对象,基于切口应力方法,建立了包含焊根切口子模型的ANSYS疲劳节段有限元分析模型,对该细节实际疲劳寿命进行了系统研究。结果表明:三种典型加载工况中,纵肋正上方加载工况下所得到的切口应力幅最为不利,其数值为2 0 3.5MPa验证了采用IW所推荐的FAT225级S-N曲线对于钢桥面板构造细节疲劳寿命评估的有效性和适用性;基于FAT225级S一N曲线,得到了横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳寿命为2 7 0.6 万次
2、,满足规范要求。关键词:钢桥面板;横隔板处纵肋与顶板焊接细节;切口应力;疲劳寿命中图分类号:U441+.4文献标识码:ADOl:10.13 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 3 8文章编号:16 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 117-0 30引言正交异性钢桥面板因其轻质高强力学特点及自动化焊接工艺,在国内外钢桥建设中得到了广泛的应用。然而,结构体系由多个具有不同疲劳失效模式构造细节组成,在局部轮载外因和焊接初始缺陷内因等多重因素耦合作用下,疲劳问题突出。相关研究文献表明:正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳开裂占所有开裂比例为3
3、 0.2%,且该细节疲劳开裂直接威胁行车安全和箱梁耐久性,是钢桥面板最为重要的构造细节。目前,关于该细节疲劳特性相关研究 2 主要针对横隔板间的纵肋与顶板焊接细节(即RD细节),缺少对横隔板处纵肋与顶板焊接细节(即RDF细节)的系统研究。唐亮等 3 指出,横隔板处纵肋与顶板焊接细节更容易产生在焊根处萌生并沿顶板厚度扩展的贯穿型裂纹。Kolstein4基于名义应力法针对正交异性钢桥面板典型构造细节进行了较为深入的试验研究,并确定了疲劳强度等级。Moddox等 5采用热点应力法对纵肋与顶板构造细节顶板焊趾处的疲劳抗力评估,但该方法并不适用于焊根位置。张清华等 6 验证了切口应力法在构造细节疲劳抗力
4、评估的适用性。本文以横隔板处纵肋与顶板焊接细节为研究对象,基于切口应力法,利用ANSYS建立构造细节切口子模型的疲劳节段有限元模型,对该细节疲劳寿命进行评估。1研究对象钢桥面板纵肋与顶板焊接细节分类如图1所示,其中本文主要研究横隔板处的RDF细节,该细节疲劳裂纹扩展模式为萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展。结合规范7 要求,焊缝熔透率取7 5%,焊脚尺寸取13 mm,纵肋坡口角度设置为50。作者简介:邓文宇(198 3 一),工程师,主要从事路桥设计施工工作。RDF细节裂纹RD细节裂纹纵肋图1钢桥面板纵肋与顶板焊接细节类别图2切口有限元模型的建立2.1疲劳节段模型选取某桥正交异性钢桥面板作为疲劳节
5、段有限元模型,如图2 所示。模型共包含5个纵肋、3 个横隔板,所研究的RDF细节位置处于3#U肋(即U3)与中间横隔板相交处右侧。节段模型几何尺寸为:相邻横隔板间距为2 50 0 mm,顶板和横隔板厚分别为18 mm和14mm,U肋截面尺寸(宽高厚)取3 0 0 mm280mm8mm。根据文献 6,采用规范 7 中的轴重为6 0 kN的标准疲劳车,按图2 的三种典型工况进行加载。工况3工况2 VVVVVVVVVVV工况IVVYMTV30011=330010U1180图2 节段模型与加载工况示意图(mm)2.2切口有限元模型采用ANSYS软件建立本文包含RDF细节切口子模型的有限元模型,其中焊根
6、处切口半径=1mm,根据顶板横隔板纵肋钢桥面板RDF细节600U3关注U4位置U2R3100U5R40OS1002023年第8 期总第19 3 期117桥隧工程工况1IW推荐值将切口周围6 层网格尺寸控制为0.1mm,切口子模型单元采用SOLID95,节段有限元模型区域单元采用SOLID45。该桥钢材采用Q370qD,泊松比为0.3。根据节段所处位置对有限元模型边界进行约束,其中顶板横向两侧位置分别对其横向自由度进行约束(即Ux=0),纵肋与顶板纵向两侧位置分别对其纵向自由度进行约束(即U,=O),横隔板底部对竖向自由度进行约束(即U,=O)以模拟钢箱梁的支承作用。所建立的有限元模型如图3 所
7、示。切口处网格细花人立面图图3 有限元模型图正交异性钢桥面板疲劳问题具有显著的局部效应,进行轮载加载时,可不考虑轮载的横向叠加效应,根据标准疲劳车特性采用单侧相邻轮载形式,如图4所示。1200000图4加载轮载示意图(mm)3疲劳寿命评估3.1受力模式分析横隔板处RDF细节由顶板、纵肋和横隔板三者相互焊接连接而组成,在局部轮载作用下主要以受压为主,受力模式如图5所示。相关研究表明 1-2:纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹萌生点位置具有较大峰值的焊接残余应力,而横隔板处RDF细节疲劳裂纹为纵桥向扩展裂纹,提取切口应力时,可取切口处最大横向压应力进行分析,此时考虑残余应力后,压一压应力循环将转变为拉一压
8、或拉一拉应力循环,从而引起疲劳开裂。P变形后变形前顶板L焊根位置纵肋RDF细节横隔板图5横隔板处RDF细节受力模式示意图3.2纵向应力历程根据图4所选用的加载轮载,结合所建立的有限元模型进行横隔板处RDF细节的纵向应力历程分析,考虑模型的对称性,仅对有限元模型一跨进行加载,总桥向每100mm一个加载步,共3 1个加载步。所得到的横隔板处RDF细节纵向切口应力历程如图6 所示。0-50100-150-200切口应力子模型-3000-2000-1000局部图6 纵向应力历程曲线图放大由图6 可知,三种典型工况作用下,纵肋正上方加载工况(即工况1)切口应力幅最大,数值为2 0 3.5MPa;骑纵肋加
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