波紋鋼腹板組合結(jié)構(gòu)抗剪連接件疲勞分析
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王俊坪 袁金容
（1．貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽550081;
2．貴州橋梁設(shè)計院有限公司 貴陽 550081）
摘要 波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，由混凝土頂?shù)装�、體外預(yù)應(yīng)力束和波紋鋼腹板構(gòu)成，是對傳統(tǒng)的混凝土橋梁的一種改進。波紋鋼腹板組合箱梁橋的疲勞，尤其是連接件的疲勞是設(shè)計時必須考慮的重要問題。文中基于某波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，采用BS5400的疲勞設(shè)計方法分別建立整體模型和局部模型分析了剪力件的應(yīng)力歷程，對該橋剪力連接件焊縫進行疲勞驗算，介紹了疲勞分析的基本方法，證明了該橋剪力連接件在設(shè)計基準期內(nèi)不會發(fā)生疲勞破壞。
關(guān)鍵詞 BS5400波紋鋼腹板剪力連接件應(yīng)力歷程疲勞
波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，它是由混凝土頂?shù)装濉Ⅲw外預(yù)應(yīng)力束和波紋鋼腹板三者構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)。與普通混凝土腹板箱梁相比，它恰當?shù)貙摗⒒炷两Y(jié)合起來，混凝土頂?shù)装蹇箯�，波紋鋼腹板抗剪，充分發(fā)揮了材料的特性。在活載作用下，波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁橋連接件可能會出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致連接件失效，因此，連接件的疲勞壽命是組合結(jié)構(gòu)橋梁必須考慮的問題。本文針對某波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的連接件采用BS5400推薦的方法進行了疲勞驗算。
1基本理論和方法
目前，很多國家都將疲勞計算列入規(guī)范，同時提供了疲勞計算的具體過程。本文利用有限元軟件Midas Civil建立全橋模型，獲得剪力影響線；利用通用有限元軟件Ansys建立節(jié)段模型，獲得剪力件在活載（車道荷載）作用下的應(yīng)力歷程。參考英國橋梁規(guī)范BS5400有關(guān)疲勞的規(guī)定，對抗剪連接件進行疲勞分析。
1.1標準疲勞車
根據(jù)BS5400規(guī)定，疲勞驗算引入標準疲勞車，將其作為一種工具表示標準荷載頻值譜的效應(yīng)。標準疲勞車共4個軸，總重320 kN，見圖1。
1.2設(shè)計交通量
交通量可根據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計資料，將各種形式的車輛荷載轉(zhuǎn)化為標準疲勞車荷載。由于沒有相關(guān)統(tǒng)計資料，計算中采用BS5400中統(tǒng)計的交通量作為計算依據(jù)。
2工程概況
本橋上部結(jié)構(gòu)中57 m+2×100 m+57 m主橋采用波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)，頂板與鋼腹板之間采用了PBL剪力件連接。主橋主梁截面及剪力連接件構(gòu)造見圖2和圖3。
為獲得活載作用下橋面各截面的剪力影響線，建立了全橋的Midas模型，見圖4。疲勞分析中，應(yīng)力幅決定了構(gòu)件的疲勞壽命。計算表明，在活載作用下，第三跨截面的剪力變化值較大，同時梁高較小，剪力連接件承受的剪力較大，是疲勞破壞較容易出現(xiàn)的位置。因此，選取該梁段為分析部位，建立了Ansys分析模型見圖5。
模型中，混凝土、剪力件鋼板、貫穿鋼筋均采用實體單元模擬，鋼腹板及頂?shù)装邃摪宀捎冒鍐卧M，模型梁端剛接質(zhì)量單元用于加載梁端荷載。計算結(jié)果表明，當車輛荷載作用于梁段以外時，梁段內(nèi)的剪力件的應(yīng)力較�。s為10-數(shù)量級），不會引起疲勞損傷。因此，只考慮標準疲勞車荷載作用于梁段內(nèi)部的情況。
3計算流程
根據(jù)前面的分析，當標準疲勞車荷載作用于局部模型外時，局部模型內(nèi)部的剪力連接件應(yīng)力較小，可忽略其對疲勞損傷的影響，因此論文僅考慮標準疲勞車荷載作用于局部模型內(nèi)部的情況，并通過以下步驟獲得剪力件焊縫的應(yīng)力歷程。
3.1橫向加載
為獲得焊縫應(yīng)力的最不利情況，對局部模型進行橫向加載，獲得焊縫應(yīng)力的橫向影響線（圖6，橫坐標表示單位力離梁中線的距離，橫坐標表示相應(yīng)應(yīng)力值）。
3.2縱向加載
由獲得的橫向影響線可知，當荷載作用于距主梁中心0.9 m處，連接件焊縫將產(chǎn)生最大的主拉應(yīng)力。將標準疲勞車荷載按照最不利情況加載于局部模型（見圖7），同時將Midas模型中所獲得的內(nèi)力作為邊界條件，便可獲得標準疲勞車分別作用于每個車道上時焊縫的應(yīng)力縱向影響線，見圖8，圖中橫坐標表示車軸離焊縫的距離，縱坐標表示應(yīng)力脈）。
3.3焊縫疲勞壽命（單車法）
單車法以決定細節(jié)構(gòu)造的疲勞壽命為特征，根據(jù)Miner線性損傷累積理論可以求得在橋梁設(shè)計年限內(nèi)、在設(shè)計交通量下構(gòu)造細節(jié)的損傷累積度，從而判斷該構(gòu)造細節(jié)是否會發(fā)生疲勞破壞。
根據(jù)BS5400單車法計算規(guī)定，若某一構(gòu)造細節(jié)的最大、最小應(yīng)力代數(shù)值盯pmax，盯pmi。是由于車輛在同一車道的不同位置產(chǎn)生，則損傷度按每個車道的應(yīng)力歷程例分開來計算，見圖9a），b）。當盯pmax，apmin是由車輛在不同分車道產(chǎn)生，則應(yīng)增加一接力歷程例，反映一部分車輛在某2個車道依次交替行駛產(chǎn)生更大的應(yīng)力幅，見圖9c）。對于這種情況，損傷度應(yīng)把幾個車道分開的情況，以及2車道上車輛接力的情況都進行計算，但需對車道交通量做出調(diào)整。
根據(jù)以上求得的各車道應(yīng)力歷程例，利用泄水法可求得每一應(yīng)力歷程例中所檢算的疲勞構(gòu)造細節(jié)的應(yīng)力脈和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。各應(yīng)力歷程中應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以及應(yīng)力脈列于表2。
根據(jù)營業(yè)車年交通量統(tǒng)計表查得A車道車輛數(shù)為2．O百萬輛，鄰車道B車輛數(shù)為1.5百萬輛，根據(jù)接力歷程例的交通量計算方法，獲得每個歷程例的有效交通量。
式中：n。A為72，A的有效值；n。B為行。B的有效值；nA/B為nA/B為的有效值；n。A為通過車道A的車輛數(shù)，百萬輛／年；n。。為車道B的車輛數(shù)，百萬輛／年；nA／B反應(yīng)車輛在2車道交替行駛的數(shù)目，百萬輛／年，
考慮到影響線長度的不同，需要引入Miner累積損傷度調(diào)整系數(shù)KF，經(jīng)計算，對于分開的應(yīng)力歷程KF=1. 45;對于接力歷程例KF=1.21。因此，設(shè)計年限內(nèi)總損傷度計算如下。
設(shè)計年限內(nèi)，疲勞損傷度為0. 014，遠小于1．O，因此在設(shè)計年限內(nèi)剪力連接件焊縫不會出現(xiàn)疲勞破壞。
4結(jié)語
論文采用英國規(guī)范BS5400中推薦的疲勞計算方法，以一座波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋為例，通過對該橋的剪力連接件的疲勞驗算，介紹了疲勞分析的基本方法和流程；提供了由整體模型獲取局部應(yīng)力的方法；計算結(jié)果表明該橋剪力件在設(shè)計年限內(nèi)不會因為活載作用產(chǎn)生疲勞破壞。
