止裂 讓鋼橋不再衰老
面對(duì)嚴(yán)重影響鋼橋面板服役性能和耐久性的疲勞開裂問題，研發(fā)合理、高效的加固維護(hù)技術(shù)十分必要。本文選取縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)的典型疲勞開裂模式，采用栓接角鋼裝配式加固方法對(duì)該細(xì)節(jié)進(jìn)行加固，并通過足尺疲勞試驗(yàn)研究該加固方法的有效性及其工程可實(shí)施性。在此基礎(chǔ)上，采用斷裂力學(xué)進(jìn)行加固效果評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證栓接角鋼裝配式加固方法，對(duì)正交異性鋼橋面板縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)的疲勞裂紋維護(hù)的可靠性。
有限元模型的建立
疲勞破壞模式和裝配式加固
縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)受力較為復(fù)雜，在裝配誤差、焊接殘余應(yīng)力及焊接缺陷等因素綜合影響下，該部位成為正交異性鋼橋面板中疲勞問題最為突出的部位之一。該部位典型的疲勞裂紋的失效模式主要包括以下幾種：破壞模式I ：疲勞裂紋起于焊趾并沿縱肋腹板擴(kuò)展；破壞模式II ：疲勞裂紋起于焊趾并沿橫隔板擴(kuò)展 ；破壞模式III ：疲勞裂紋起于橫隔板弧形開孔并沿橫隔板擴(kuò)展，如圖1所示。研究結(jié)果表明，模式I為疲勞破壞的主要形式，且其疲勞開裂的加固較其他模式更為困難。
正交異性鋼橋面板開裂采用在局部栓接或粘貼鋼板的方式，可以有效提高該部位的局部剛度，顯著降低局部應(yīng)力水平，從而抑制該部位疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，對(duì)于縱肋與橫隔板連接部位的疲勞加固而言，其關(guān)鍵在于采用適當(dāng)?shù)姆椒ń档途植繎?yīng)力集中程度，調(diào)整局部受力狀態(tài)，從而改善該細(xì)節(jié)局部應(yīng)力水平。針對(duì)縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)疲勞開裂模式I，采用在縱肋底板與橫隔板處栓接等邊角鋼加固處理，如圖2所示。
面向疲勞性能研究的有限元模型
為研究關(guān)注疲勞易損細(xì)節(jié)的疲勞特性，針對(duì)某大橋正交異性鋼橋面板縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)，進(jìn)行裝配式加固方法模型試驗(yàn)研究。足尺模型試件主要由頂板、縱肋、橫隔板及其下翼緣板構(gòu)成。疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼喞叽鐬椋洪L(zhǎng)2.7m，寬1.4m，高0.6m，縱向設(shè)置2個(gè)橫隔板，橫向設(shè)置2個(gè)U肋。試件主要結(jié)構(gòu)板件厚度為：頂板18mm，縱肋8mm，橫隔板14mm，橫隔板下翼緣20mm?？v肋截面尺寸為300mm×280mm×8mm，縱肋中心間距為600mm。疲勞試驗(yàn)采用分配梁縱向兩點(diǎn)加載，在分配與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g的加載位置放置兩個(gè)200mm×200mm的橡膠支座，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M隔板下翼緣使用固接約束，其加載方案如圖3所示。
本研究的主要目的在于確定待研究構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能，綜合考慮加載設(shè)備和加載周期等因素，制定試驗(yàn)方案并確定實(shí)際采用的加載荷載幅值ΔP。所確定的主要試驗(yàn)工況如下：
工況1（LCI）：縱肋與橫隔板連接細(xì)節(jié)疲勞特性試驗(yàn)工況。該工況主要用于研究此處實(shí)際疲勞特性。此工況加載次數(shù)為115萬次，荷載上、下限分別取ΔP+20kN與20kN，ΔP為290kN。
工況2（LCII）：縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)疲勞開裂裝配式快速加固試驗(yàn)工況。主要研究裝配式快速加固方法對(duì)于縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命的改善效果。此工況加載次數(shù)為180萬次，荷載上、下限分別取ΔP+20kN與20kN，ΔP為348kN。
針對(duì)待研究的疲勞易損部位（縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)處）開裂后栓接角鋼加固效果，由于此處疲勞裂紋屬于復(fù)合型裂紋，為提高應(yīng)力強(qiáng)度因子K的求解精度，選取通用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體單元模型進(jìn)行求解，除含有裂紋的子模型外都用實(shí)體單元Solid45。在縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)處建立裂紋子模型，其中，裂紋前緣周圍單元采用能夠較精確反映裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)奇異性的Solid95單元模擬，其余子模型部位使用Solid92單元。整個(gè)有限元模型總計(jì)257988個(gè)單元，401870個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。為保證其計(jì)算結(jié)果可靠性，能準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖芰顟B(tài)，設(shè)定與試驗(yàn)相同的約束條件及加載方式，在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型重點(diǎn)部位布置大量測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)過程中采用美國(guó)MTS公司的MTS793試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)加載、UCAM-60B靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試，同時(shí)采用DH3820動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)疲勞易損細(xì)節(jié)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。由于篇幅限制，此處僅列出縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)典型對(duì)比結(jié)果，測(cè)點(diǎn)位置及在試驗(yàn)荷載工況下實(shí)測(cè)值（M）與理論值（T）結(jié)果對(duì)比如圖5所示，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變片布置在焊縫端部下方縱肋腹板母材上。研究結(jié)果表明：有限元計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本吻合，所建立的有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬縱肋與橫隔板焊接細(xì)節(jié)的力學(xué)特性，可作為裂紋擴(kuò)展行為及加固研究的模型。
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