正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊接接头疲劳性能研究

正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊接接头疲劳性能研究

周群立

（中国土木工程集团有限公司，北京100038）

摘要：针对正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊接接头处的疲劳性能问题，通过有限元计算和试验对比分析，确定此焊接部位为疲劳问题应关注的细节之一，验证可通过U肋尺寸与剖口形式的优化设计进而改善此部位的疲劳性能，同时验证该试件在200万次的实桥等效疲劳作用次数下未开裂，设计符合要求。研究成果对今后的此类桥梁结构设计以及疲劳问题的研究具有一定的参考价值。

关键词：正交异性钢桥面板；U肋尺寸；横隔板；焊缝；疲劳性能

众所周知，正交异性钢桥面板结构由上到下依次为顶板、纵肋、横隔板，这三部分两两之间通过正交焊接连接成一个整体结构［1－2］。形成的正交异性桥面板结构具有质轻、高强、可工厂化批量预制从而缩短工期等优点。因此，正交异性钢桥面板自问世以来，因其较好的受力特性与较高的经济性，被广泛的应用到桥梁结构的设计中，特别是大、中跨径桥梁结构，成为一种重要的钢桥面板结构形式［3］。正交异性钢桥面板的优点是不可否认，但有利有弊，正交异性板同时也存在一些弊端，其结构焊缝数量多，焊缝长，构造非常复杂，并且车轮荷载直接反复的作用在桥面板上，由于这种结构自身有着很多的缺陷，并且施工质量无法得到完全的保证，以及设计时对其疲劳裂纹的形成机理没有足够的认识等原因，导致使用正交异性钢桥面板的桥梁结构容易形成疲劳损伤［4］。使用正交异性钢桥面板的已建桥梁现状表明，在U肋与横隔板焊接部位极易产生疲劳裂纹，国内外的钢桥都有此类病害现象。

据研究报告，疲劳试样与实桥在U肋与横隔板焊缝处的应力变化规律相一致，最大应力发生在U肋与横隔板焊缝围焊处的焊址部位，并且疲劳裂纹首先发生在U肋与横隔板焊围焊处，然后沿焊缝向两侧扩展［5］。为了进一步分析其疲劳性能，本文关注正交异性钢桥面板U肋与横隔板相连处焊缝的疲劳性能，通过有限元结果与试验结果进行对比分析，对其疲劳性能做出详细的验证与评估，并测试出加载过程中关注细节处的应力变化情况，验证设计疲劳强度后，在该基础上继续进行破坏试验，可以掌握其安全储备量。本文的研究为进一步研究钢桥面板结构的疲劳性能提供了依据。

1 试件的设计

1.1 U肋尺寸的选择

疲劳问题很大程度上是因为焊缝的缺陷，导致结构整体的疲劳性能有待提高。因此，焊缝的数量及其总长度直接影响到桥面板结构的疲劳性能。U肋的尺寸大小又和焊缝数量和焊缝的总长度直接相关。因此，对U肋的尺寸设计至关重要。U肋尺寸的增大，会减少焊缝数量和焊缝总长度，但同时也降低了正交异性钢桥面板的整体疲劳强度，由此可以看出，不是设计尺寸越大越好，在进行尺寸设计时需进行综合考虑。对于U肋的尺寸，各国习惯采用的均有所不同，下面列出德国、日本以及我国惯用的U肋尺寸，见图1。

图1 常用的U肋尺寸设计（单位：mm）

各国设计规范以及设计习惯的不同，采用的U肋设计也有所不同，本文根据我国的设计习惯，采用的U肋设计为顶部宽300 mm、高300 mm，U肋板厚为8 mm。对于顶板的厚度设计，厚度尺寸在一定范围内，顶板厚度越大，越有利于改善开孔部位及附近区域的疲劳性能，但同时厚度的增加也将导致自重的增加，从而降低结构的跨越能力，这就使得正交异性钢桥面板质轻的优势无法得到充分的利用［6］。因此，基于现有各类研究，综合考虑后，最终确定顶板厚度为18 mm，U肋设计如图1（c）所示。

1.2 剖口形式的选择

U肋底部处横隔板开剖口，是为了减小横隔板对U肋的约束，从而减小该部位的应力。因开口形式的不同，开孔处自由边以及焊趾处的应力分配也就不同［7］。开口形式有很多种，在此列出几种常用的开孔孔型，如图2所示。本文采用的孔型设计为（c）孔型3设计。

图2 横隔板开孔常用孔型

1.3 U肋的焊接

对于U肋坡口焊缝的焊接工艺，现今全是采用药芯焊丝，在二氧化碳气体的保护下进行自动焊。国内主要桥梁生产厂家采用Q345钢进行U肋制造，将U肋坡口焊缝采用E50焊丝两道焊接而成，这样虽然解决了焊缝不连续，但同时造成生产效率降低［1］。药芯焊丝CO2气体保护焊在焊接U肋坡口焊缝时，由于管状焊丝较软，电弧挺度差，加之导电嘴磨损，焊接过程中存在电弧“飘移”的缺点，这是影响焊缝质量稳定的因素之一；同时药芯焊丝由于药粉的存在，焊丝容易吸潮、同时对焊缝区域的浮锈等较为敏感，容易导致气孔和延迟裂纹的产生。南京长江四桥钢箱梁板块U形肋坡口焊缝首次成功采用实芯焊丝富氩混合气体保护船位自动焊［5］，如表1所示。顶板U肋坡口角焊缝及底板U肋角焊缝采用此种焊接方法一道成型，既降低了成本又提高了生产效率。本次试验的试件将采用这样的焊缝工艺进行焊接。

表1 U形肋焊缝焊接工艺示意图

焊接部位坡口简图焊道熔敷简图顶板U肋坡口角焊缝底板U肋角焊缝

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

采用有限元软件ABAQUS对此模型进行理论计算分析。试件长为2.4 m，宽为1.2 m，为了进行仿真分析，对ABAQUS模型建立时也按照这个尺寸进行模拟分析。本模型采用4节点Shell 63单元，模型的单元总数为169 933，节点数为156 582。试件有限元模型如图3所示。

图3 试件的有限元模型图

在有限元仿真分析中，模型的计算分析用时往往是随着模型单元数量的增加呈对数增长的。同时，理论上只有当模型的单元足够精细时仿真分析的结果才是准确的。因此，考虑到仿真分析时计算结果的准确性等因素，本次试验的理论计算根据全桥分析结果适当选取一个节段建立局部优化模型来对关键疲劳易损部位进行仿真分析。采用的加载设计方式是通过对轮轴荷载在桥面板上横向加载位置和纵向加载位置分别进行计算，根据本文关注区域的应力变化，从而判断每个疲劳关注细节对应的最不利加载位置，再根据所确定的位置进行仿真分析。模型完全建成后，进行运行计算分析。

根据计算加载次数的换算关系，将上亿次的实桥疲劳应力等效为200万次的试验应力。由将应力幅值Δσ0等效折算疲劳次数为5×106处，得到对应的等效应力幅值

由将应力幅值等效折算到200万次对应应力幅值σs：

最后，将本文疲劳关注细节U肋与横隔板焊缝处的有限元仿真分析结果整理出来，得出结果如表2所示。对表2汇总数据分析得，将实桥设计疲劳车的变幅疲劳通过等效转换，得出常幅疲劳及作用次数。为减少试验加载次数，再进行等效试验疲劳的转换，得出等效应力幅及作用次数。简而言之，试验作用次数达到200万次，试件未开裂，则证明该设计满足实桥要求。

2.2 裂缝的产生

本文所关注的疲劳细节部位U肋与横隔板的焊缝处以及横隔板的剖口附近，根据理论分析的受力结果看，有四个部分的应力集中较明显，容易出现裂纹，可能出现的裂纹情况如图4所示。为了更好的示意裂纹走势，这里采用粗黑色的线条对裂纹进行绘制。LW1为沿着焊缝方向开裂的裂缝；LW2为横隔板剖口，距离焊趾较近处，大致开裂方向与圆弧的切线大致垂直；LW3为剖口底部圆弧处，开裂方向与圆弧切线大致垂直；LW4为U肋上，其开裂方向与U肋纵向大概一致。

表2 疲劳细节关注点处理论计算结果

实桥变幅疲劳应力幅／MPa实桥变幅疲劳作用次数／次实桥等效常幅疲劳应力幅／MPa实桥等效常幅疲劳作用次数／次等效试验疲劳应力幅／MPa等效试验疲劳作用次数／次29.7356318273 2.535939212 2.9360329173 28.423978313 29.735841852195.82000000

图4 可能出现的裂纹情况

3 试 验

将试件按设计的尺寸在工厂进行制造，其尺寸长为2.4 m、宽为1.2 m。其U肋尺寸以及开口形式按前文所述进行设计。本文关注的是U肋与横隔板焊缝处的疲劳细节问题，因此，在试件U肋与横隔板上面进行应变片的粘贴，通过应变片进行疲劳细节关注点处的应力测量。贴片的位置如图5所示。

图5 U肋与横隔板焊缝处的应变片分布图

试验采用MTS加载器进行循环荷载作用，作用点位于试件顶板的几何中心处，加载面积为400 mm ×400 mm。采用东华DH3816N静态应变测试分析仪进行应变数据的采集，每加载50万次进行一次静载数据的采集，分析试件的受力情况，试件加载到200万次后，每25万次做一次静载试验。加载试验进行到试件出现裂纹即止。最终，在U肋与横隔板焊缝部位出现裂纹，位于U肋上，其裂纹方向沿U肋的纵向进行延伸开裂，裂缝情况如图6所示，与图4中LW4的方向一致。

图6 裂纹图

在加载过程中，进行不同次数下静载试验，得出疲劳细节关注点处的应力值，具体数值如表3所示。最终，试件在加载到229万次出现裂纹，继续加载，裂纹扩展速度较快。试验还观察出，一旦出现一条裂纹，在继续加载过程中，该裂纹会不断延伸，而其他地方将不再出现裂纹。

表3 疲劳细节关注点处的应力

荷载／kN MPa 050100150200225不同加载次数（万次）下应力／00.00.00.00.00.00.03313.613.813.713.814.013.89939.839.539.739.940.240.016565.564.565.065.766.066.823391.289.490.591.592.494.7300116.7115.1116.4117.9118.9122.723392.690.892.293.394.196.516567.766.467.268.068.370.09941.841.141.842.442.442.73314.614.715.115.114.814.400.00.00.30.40.00.0

对表3所采集的数据进行分析，绘制出荷载与主拉应力图，绘制其增幅如图7所示。根据加载次数的不同，分别进行0、0.25P、0.5P、0.75P、P、0.75P、0.5P、0.25P、0进行加载和卸载试验，P的初始值较小，每进行100万次动载试验，调整一次P值大小，最终P的最大取值为300 kN。

图7 主拉应力图

将表3、图7试验结果与有限元仿真分析结果相对比，可以得出：

（1）试件加载到229万次才产生裂纹，而实桥的等效试验疲劳次数为200万次，验证了该设计符合实桥的设计要求。200万次验证试验过后，即为破坏试验，测试试验模型的实际疲劳破坏荷载作用次数，则为安全储备量。

（2）试件在出现裂缝前，静载试验最大荷载均为300kN，其最大应力波动幅度较小，说明试件开裂前，加载次数对其承载力影响不明显。

（3）通过有限元ANSYS的理论计算准确，但较为保守，根据理论计算，其最大应力为95.8 MPa，而实际加载过程中，在不断增加荷载的情况下，本文所关注疲劳细节处应力最大值达到122.7 MPa，说明试件还有很大的安全储备空间。

（4）通过试验，再次验证了本文所关注点U肋与横隔板焊缝处为疲劳问题的薄弱点，在今后的设计与研究中，该部位应作为重点关注点。

（5）通过应力测试，该部位处的应力测试最大值比理论最大值高28%，证实本文的U肋尺寸设计以及剖口形式的选择能有效的提高该细节关注点处的疲劳强度。

4 结 语

本文进行U肋与剖口形式的选择设计，通过有限元仿真分析与试验作对比，再次确认此焊接部位为疲劳问题应关注的重要细节之一，验证了U肋尺寸设计与剖口形式能改善此部位的疲劳性能。本文旨在研究正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊接接头处的疲劳性能，重点关注该疲劳细节，得出较为理想的结果，相信对今后的桥梁结构设计以及疲劳问题的研究具有一定的参考价值。

参考文献：

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Fatigue Performance of the Welding Joint Between Transverse and U Shaped Rib Web in Orthotropic Steel Bridge Deck

ZHOU Qunli
（China Civil Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Beijing100038，China）

Abstract：In order to improve the fatigue performance of the joint between the U shaped rib web and the transverse rib web in the orthotropic steel bridge deck，through finite element calculation and experiment analysis，this paper identified that the fatigue problems should receive more attention regards to the details of the welding parts，and the optimization design of the U shaped rib size and the groove form can improve the fatigue performance.This paper also verified that the specimen doesn’t crack under the real bridge equivalent fatigue life role of 2 million，which can meet the design requirements well.The results have certain reference value to the design and fatigue problems of this kind of bridge structure in the future.

Keywords：orthotropic steel bridge deck；size of U shaped rib web；transverse rib web；joint；fatigue performance

中图分类号：TU392

文献标识码：：A

文章编号：：1672—1144（2017）01—0238—05

DOI：10.3969／j.issn.1672－1144.2017.01.045

收稿日期：2016－10－13

修稿日期：：2016－11－21

作者简介：周群立（1984—），男，北京人，工程师，主要从事工程项目管理和投标报价。E－mail：[e-mail]