由鋼橋面板及縱、橫加勁肋焊接而成的正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期重載交通作用下，其關(guān)鍵細(xì)節(jié)容易發(fā)生疲勞開(kāi)裂，嚴(yán)重影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全。實(shí)橋疲勞開(kāi)裂統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，正交異性鋼橋面板疲勞敏感細(xì)節(jié)包括頂板與縱肋連接焊縫、縱肋與橫隔板連接焊縫和橫隔板開(kāi)孔處等，如圖1所示。大量研究者為改善鋼橋面板的服役性能，對(duì)鋼橋面板疲勞性能及疲勞加固方法開(kāi)展了研究，主要關(guān)注兩方面：（1）服務(wù)于新建橋梁橋面板設(shè)計(jì)需要，不考慮鋼構(gòu)造疲勞裂紋擴(kuò)展，采用SN曲線(xiàn)確定正交異性鋼橋面板（或組合橋面板）典型細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度；（2）針對(duì)既有橋梁鋼橋面疲勞開(kāi)裂問(wèn)題，考慮單個(gè)典型細(xì)節(jié)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，通過(guò)斷裂力學(xué)方法評(píng)估典型細(xì)節(jié)的疲勞壽命或疲勞加固方法的有效性。祝志文對(duì)輪載下正交異性鋼橋面板多個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，各細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線(xiàn)縱橋向?yàn)橄噜彊M隔板間距，橫橋向?yàn)閮蓚€(gè)縱肋中心距，且各細(xì)節(jié)應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的輪載位置不同。因此，在輪載下正交異性鋼橋面板的局部范圍內(nèi)，相鄰各疲勞易損細(xì)節(jié)疲勞行為相互影響，特別是某個(gè)細(xì)節(jié)開(kāi)裂后，隨著裂紋擴(kuò)展，相鄰細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力可能會(huì)增大，甚至?xí)壬鸭y，橋面板疲勞性能則呈加速劣化趨勢(shì)，如武漢軍山大橋僅半幅鋼橋面內(nèi)曾檢測(cè)出隱形疲勞裂紋四千多條，裂紋大多相距很近。而現(xiàn)有正交異性鋼橋面板的裂紋擴(kuò)展分析一般都只關(guān)注單個(gè)疲勞細(xì)節(jié)的裂紋擴(kuò)展行為，忽略相鄰細(xì)節(jié)在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的疲勞響應(yīng)及其開(kāi)裂可能性，可能會(huì)低估橋面板疲勞劣化的速度。本文針對(duì)正交異性鋼橋面板各典型疲勞細(xì)節(jié)開(kāi)裂問(wèn)題，首先通過(guò)已有足尺模型疲勞試驗(yàn)建立裂紋擴(kuò)展的有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行各疲勞細(xì)節(jié)的裂紋擴(kuò)展分析，然后得到各疲勞易損細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的局部變形和相鄰細(xì)節(jié)主拉應(yīng)力分布及其演化規(guī)律，探究橋面構(gòu)造的性能劣化過(guò)程，為評(píng)估開(kāi)裂正交異性鋼橋面的疲勞性能提供參考。1、正交異性鋼橋面板疲勞試驗(yàn)依托于文獻(xiàn)的正交異性鋼橋面足尺模型疲勞試驗(yàn)，模型總長(zhǎng)6.31m，寬1.8m，縱橋向兩跨，含3道高1.0m和板厚10mm橫隔板，橫橋向含3個(gè)U肋，如圖2所示。頂板厚16mm，U肋板厚10mm，上口寬300mm，下口寬170mm，肋高28mm，U肋中心距600mm。所用鋼材為Q345qC（屈服強(qiáng)度461MPa，彈性模量200GPa，泊松0.3）。試驗(yàn)關(guān)注橫隔板A和A’上開(kāi)孔細(xì)節(jié)，編號(hào)1#~8#，在3#~7#開(kāi)孔處預(yù)制了張口3mm，深2mm的人工圓形缺陷。根據(jù)規(guī)范采用縱向中心距1.2m的雙輪組加載，單輪加載面積為400mm×400mm。疲勞荷載Pmin=10kN，Pmax=280kN，荷載幅為270kN，加載頻率3Hz。圖2d）為4#開(kāi)孔細(xì)節(jié)處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置，C1在開(kāi)孔端面應(yīng)力集中處以監(jiān)控裂紋萌生，C2和C3分別位于距端面6mm和16mm的橫隔板外側(cè)表面，C4和C5分別為C2、C3相應(yīng)位置的橫隔板內(nèi)側(cè)表面。圖

1

正交異性鋼橋面板典型疲勞細(xì)節(jié)開(kāi)裂情況2、裂紋擴(kuò)展分析2.1裂紋擴(kuò)展分析模型聯(lián)合采用ANSYS和三維裂紋擴(kuò)展仿真分析軟件Franc3D

進(jìn)行多尺度交互裂紋擴(kuò)展模擬，分兩步進(jìn)行：（1）建立ANSYS整體模型為裂紋擴(kuò)展提供應(yīng)力和邊界條件；（2）在整體模型基礎(chǔ)上采用

Franc3D建立含裂紋的子模型進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析。為減小邊界條件約束的影響，反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力特性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ突A(chǔ)上，在橫橋向上將有限元模型增至5個(gè)U肋，U肋尺寸及中心距與原試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?，其余?gòu)造和材料參數(shù)保持不變。多尺度有限元模型包括：（1）5個(gè)肋、3道橫隔板的ANSYS殼單元（Shell63）整體模型，約束橫隔板下翼緣兩端

X、Y

和

Z

方向的平動(dòng)自由度，中橫隔板弧形開(kāi)孔處建立如圖2c）所示的人工缺陷，并將疲勞加載參考輪縱向移至中橫隔板處，以便后續(xù)分析計(jì)算，輪載橫向位于所研究細(xì)節(jié)處對(duì)應(yīng)

U

肋腹板正上方。整體模型含

156162

節(jié)點(diǎn)，157200

個(gè)單元，如圖

3a）；（2）含2個(gè)U肋、1道橫隔板的Franc3D

實(shí)體局部模型（Solid185實(shí)體單元），總長(zhǎng)0.6m，寬1.2m，高0.358m，將整體模型切割邊界的計(jì)算位移值作為邊界條件，切割邊界為縱向距中橫隔板前后各0.3m

處，橫向距U肋外腹板0.15m處，遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)及加載區(qū)，網(wǎng)格按1mm尺寸精細(xì)劃分，如圖

3b）、c）和d）。疲勞荷載作用下鋼橋面應(yīng)力水平不高，結(jié)構(gòu)處于線(xiàn)彈性狀態(tài)，因此有限元模型中鋼材按線(xiàn)彈性本構(gòu)考慮。由于焊接殘余應(yīng)力分布未知，所以分析模型中沒(méi)考慮其影響。圖

2

疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬簃m）Franc3D

裂紋擴(kuò)展分析模型所采用的斷裂力學(xué)參數(shù)及依據(jù)為：1）裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則采用亞臨界擴(kuò)展中的最大應(yīng)變能擴(kuò)展準(zhǔn)則；2）裂紋擴(kuò)展模型選用基于有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的

Paris

擴(kuò)展模型：式中：ΔKeff為有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值；ΔKⅠ、ΔKⅡ和

ΔKⅢ分別為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值；v為泊松比，本文取v=0.3；C和m為與材料特性相關(guān)的參數(shù)，根據(jù)規(guī)范取

m=3，。圖

3

裂紋擴(kuò)展分析模型（單位：m）2.2結(jié)果分析與驗(yàn)證首先從關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和疲勞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度兩方面對(duì)比分析實(shí)測(cè)值和有限元值，以驗(yàn)證有限元模型的有效性。關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)

C2~C5

的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元值如圖

4

所示，考慮到測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力梯度很大，且試驗(yàn)易受多種復(fù)雜因素影響，應(yīng)力有限元值與實(shí)測(cè)值基本吻合。圖

5

為疲勞試驗(yàn)后4#、5#開(kāi)孔細(xì)節(jié)處裂紋擴(kuò)展情況比較，2

條裂紋均萌生于人工缺陷處，貫穿板厚后沿水平軸線(xiàn)呈一定夾角方向擴(kuò)展。加載至375萬(wàn)次時(shí)，裂紋1外側(cè)長(zhǎng)度為61.7mm，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度41.9mm；加載至211萬(wàn)次時(shí)，裂紋

2

外側(cè)長(zhǎng)度

41.8mm，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度為

38.5mm。裂紋擴(kuò)展實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)符合良好。比較應(yīng)力和裂紋擴(kuò)展分析結(jié)果可見(jiàn)，所建立的有限元模型可合理反映試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展情況，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。2.3初始裂紋影響分析初始損傷（人工缺陷）對(duì)裂紋擴(kuò)展行為有一定的影響，根據(jù)規(guī)范推薦半橢圓初始裂紋尺寸為：板平面方向裂紋長(zhǎng)度a1

=

0

.1~0

.25

mm，裂紋形狀比a1/at

=

0

.1（at為板厚方向裂紋長(zhǎng)度）。參考文獻(xiàn)取a1=at

=

0

.5mm的

1/4

圓裂紋，另外考慮初始裂紋不同尺寸對(duì)疲勞壽命的影響，并取形狀比a1

/at

=

1/3、1和

3進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示，三者有一定差異，但對(duì)疲勞壽命的影響趨勢(shì)相同，因此保守選擇最不利的a1

=

0

.5mm，at

=

1

.5mm的橢圓形初始裂紋。圖

4

關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比圖

5

實(shí)測(cè)與模擬裂紋擴(kuò)展情況比較圖

6

初始裂紋尺寸影響分析3、關(guān)鍵細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展的疲勞應(yīng)力響應(yīng)分析輪載下正交異性鋼橋面的各關(guān)鍵疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜

，一般都采用輪載產(chǎn)生的主拉應(yīng)力來(lái)作為疲勞特性評(píng)價(jià)指標(biāo)

，因此可以作為疲勞應(yīng)力響應(yīng)分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)

。為分析頂板與縱肋焊縫連接

、縱肋與橫隔板焊縫連接和橫隔板開(kāi)孔處等關(guān)鍵細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展對(duì)相鄰細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力響應(yīng)與演化的影響

，采用上述有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析

，各細(xì)節(jié)處疲勞裂紋擴(kuò)展分析的加載方式由《公路鋼橋規(guī)范》中

的

疲

勞

荷

載

模

型Ⅲ

確

定

，只取后軸的單側(cè)雙聯(lián)軸進(jìn)行加載

，單輪重60kN（荷載幅

P=

60kN），加載面積200mm×

600mm，縱向

軸

距

1

.2m，根

據(jù)

試

算

得

到最不利加載工況及其主拉應(yīng)力值（疲勞應(yīng)力幅）。初始裂紋形狀取al

=0.5mm，at

=1.5mm的橢圓形

，置于主拉應(yīng)力最大或應(yīng)力集中處

。選取鋼橋面板局部變形較大的位置（D1和D2）進(jìn)行分析

，如圖7所示

，結(jié)果表明：裂紋擴(kuò)展到肉眼可見(jiàn)范圍內(nèi)（如30~60mm長(zhǎng)度）對(duì)面板局部變形（撓

度）影

響

很

小

，故本節(jié)主要分析裂紋（圖

上

紅

線(xiàn)

表

示）擴(kuò)展過(guò)程中相鄰細(xì)節(jié)所取路徑（圖上藍(lán)線(xiàn)）上的疲勞應(yīng)力響應(yīng)

。圖

7

裂紋擴(kuò)展過(guò)程中鋼橋面局部變形分布3.1橫隔板開(kāi)孔處裂紋擴(kuò)展為分析橫隔板開(kāi)孔處裂紋擴(kuò)展（沿試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿U(kuò)展方向）對(duì)相鄰關(guān)鍵細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力的影響，通過(guò)有限元模型得到不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)各相鄰關(guān)鍵細(xì)節(jié)最不利主拉應(yīng)力分布，如圖8~10

所示。結(jié)果表明：裂紋擴(kuò)展只對(duì)其最近的細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力有影響，擴(kuò)展影響范圍呈現(xiàn)局部特征。橫隔板開(kāi)孔處裂紋擴(kuò)展，會(huì)增加頂板與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力，而裂紋擴(kuò)展釋放了橫隔板所受荷載，導(dǎo)致U肋與橫隔板連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力則有所下降。圖

10a）中y=15mm

處，主拉應(yīng)力隨著裂紋長(zhǎng)度增加而顯著減少，原因是裂紋長(zhǎng)度增加后，離它很近的y=15mm處的橫隔板剛度不斷削弱，對(duì)U肋的約束也減小了，該處應(yīng)力水平自然降低了。圖

8

頂板與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力分布3.2縱肋與橫隔板焊縫處裂紋擴(kuò)展為分析縱肋與橫隔板焊縫處U肋的裂紋擴(kuò)展（沿縱肋長(zhǎng)度方向）對(duì)各相鄰關(guān)鍵細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力的影響，通過(guò)有限元模型得到不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)各相鄰細(xì)節(jié)最不利主拉應(yīng)力分布，如圖11~13所示。結(jié)果表明：該細(xì)節(jié)U肋裂紋擴(kuò)展只增加縱肋與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力，對(duì)頂板與縱肋焊縫及頂板與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力影響很小。圖9

頂板與縱肋焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力分布圖10U肋與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力分布圖11

頂板與縱肋焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力分布圖12

頂板與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力分布圖13

U肋與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力分布3.3頂板與縱肋焊縫連接處裂紋擴(kuò)展為分析頂板與縱肋焊縫連接處頂板的裂紋擴(kuò)展（沿縱肋長(zhǎng)度方向）對(duì)各相鄰關(guān)鍵細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力的影響，通過(guò)有限元模型得到不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)各相鄰細(xì)節(jié)最不利主拉應(yīng)力分布變化，如圖14~16所示。結(jié)果表明：該細(xì)節(jié)頂板裂紋擴(kuò)展只增加縱肋與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的主拉應(yīng)力，對(duì)頂板與縱肋焊縫及頂板與橫隔板焊縫連接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力影響很小，原因是這兩細(xì)節(jié)因附近裂紋擴(kuò)展而卸載。4、結(jié)論為合理評(píng)估開(kāi)裂后正交異性鋼橋面板的疲勞性能劣化程度，基于既有足尺模型疲勞試驗(yàn)，綜合采用有限元程序ANSYS和Franc3D的多尺度交互技術(shù)模擬鋼橋面板典型疲勞易損細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展行為，探究給定關(guān)鍵細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中各相鄰細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力的響應(yīng)和演化情況，結(jié)論如下：（1）裂紋擴(kuò)展到肉眼可見(jiàn)范圍（如長(zhǎng)度30mm）對(duì)鋼橋面板局部變形（撓度）影響很小，裂紋擴(kuò)展對(duì)正交異性鋼橋面板的局部變形行為影響不顯著，因此難以通過(guò)對(duì)變形的監(jiān)測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋萌生。（2）輪載下疲勞易損細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展的疲勞應(yīng)力響應(yīng)范圍呈現(xiàn)顯著的局部