钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究

Bridge Construction, Vol. 48, No. 2, 2018 (Totally No. 249)

19

文章编号：1003 — 4722(2018)02 — 0019 — 06

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究

罗鹏军、张清华、龚代勋、卜一之、叶仲韬2,3

(1.西南交通大学桥梁工程系，四川成都610031; 2.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉430034;

3.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉430034)

摘要：为确定钢桥面板U肋与顶板双面焊连接相比单面焊连接疲劳性能的改善效果，以某 实桥正交异性钢桥面板节段为对象，采用ANSYS软件建立有限元模型，计算不同工况下各疲劳易 损部位的切口应力幅，并分析双面焊连接疲劳性能的影响因素。结果表明：U肋与顶板双面焊连 接的最大切口应力幅比单面焊时减小19. 1%，能有效提高U肋与顶板连接焊缝的疲劳性能；U肋 与顶板单面焊连接的最不利疲劳易损部位为焊根，而双面焊连接的最不利疲劳易损部位变为外侧 焊趾；焊缝未炫透间隙长度和高度对U肋与顶板双面焊连接疲劳性能的影响较小；增大焊缝和顶 板夹角可显著降低双面焊连接的最大切口应力幅，提高U肋与顶板双面焊连接的疲劳性能。

关键词：正交异性钢桥面板；U肋；顶板；双面焊；疲劳性能；切口应力幅；有限元法中图分类号：U443.31;U441.4

文献标志码：A

Study of Fatigue Performance of U Rib-to-Deck Double­

Side Welded Joint in Orthotropic Steel Bridge Deck

LUO Peng-jun1, ZHANG Qing-hua1, GONG Dai-xun1, BUYi-zhi1, YE Zhong-tao2'3

(1. Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. China Railway Bridge Science Research Institute, Ltd., Wuhan 430034, China； 3. State

Key Laboratory for Health and Safety of Bridge Structures, Wuhan 430034, China)

Abstract： To confirm the improvement of the double-side weld on the fatigue performance of

the U rib-t〇-deck welded joint in the orthotropic steel bridge deck in comparison to that of the sin­gle-side weld, the segment of the orthotropic steel deck of a practical bridge was taken as an object and the software ANSYS was used to set up the finite element model for the segment. The notch stress ranges of the fatigue vulnerable parts of the double-side and single-side welds under the dif­ferent load conditions were calculated and the factors that had influences on the fatigue perform­ance of the U rib-t〇-deck double-side welded joint were analyzed. The results of the analysis dem­onstrate that the maximum notch stress range of the double-side welded joint is reduced by 19. 1% in comparison to that of the single-side welded joint and the reduction of the stress range can effec­tively improve the fatigue performance of the U rib-t〇-deck welded joint. The worst fatigue vulner­able part of the single-side weld is the weld root while that of the double-side weld is the outer side weld toe. The influences of the incomplete penetration gap length and height of the weld on the fa­tigue performance of the double-side welded joint are slight. The increase of the included angle be­tween the weld and deck can significantly decrease the maximum notch stress range of the double-收稿日期：2017 — 07 — 03

基金项目：国家自然科学基金项目（51578455,51378431,51178394);国家科技支撑计划项目（2011BAG07B03);西南交通大学“竣实之

星—新世纪优秀人才后备人选培养项目”

Projects of National Natural Science Foundation of China (51578455, 51378431，51178394) ; Project of National Science and Technology Support Program (2011BAG07B03) ； Project of Sishi Star —Training Program of Reserve Talents for Outstanding

Talents of New Century, Southwest Jioatong University

作者筒介：罗鹏军，博士生，com„研究方向：髙性能钢结构，钢一混凝土组合结构桥梁„

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side welded joint and can improve the fatigue performance of the joint.

Key words： orthotropic steel bridge deck； U rib； deck； double-side welded joint； fatigue per­

formance ；notch stress range； finite element method1

引言

劳设计和关键技术研究提供参考。

2

工程背景

正交异性钢桥面板具有自重轻、承载能力大、施 工方便等诸多优点，是大跨度桥梁的首选桥面结构。 但由于构造复杂、焊缝数量多，正交异性钢桥面板在 车辆轮载的反复作用下易出现疲劳损伤。自英国塞

文(Severn)桥首次报道疲劳开裂以来，疲劳裂纹不 断涌现，并呈现“早发性、普遍性、多发性、再现性”的 典型特征，严重威胁钢桥面板结构的运营质量、安全 性和耐久性[1]。U肋与顶板连接焊缝的疲劳开裂是 正交异性钢桥面板最为严重的疲劳病害。该部位的 疲劳裂纹以焊趾和焊根为裂纹源，分别向顶板、U 肋腹板和焊缝内部扩展，共包括4种疲劳开裂模 式[2]，具体如图1所示。理论和试验研究均表明，保 证焊缝熔透率和焊缝焊喉深度能够有效控制第m和 第F类疲劳开裂模式[3_5]。而起裂于顶板焊趾和焊 根并向顶板厚度方向扩展的第I和第n类疲劳开裂 模式目前仍未得到有效的控制。

图1

U肋与顶板连接焊缝疲劳开裂模式 Fig. 1 Fatigue Cracking Modes of U Rib-to-Deck Welded Joint

国内、外学者提出了镦边u肋、大焊脚焊缝和 双面焊接3种提高U肋与顶板连接焊缝疲劳性能 的新型构造措施[1，6]。镦边U肋和大焊脚焊缝构造 的焊根处仍然存在未熔透部分，该未熔透部分容易 形成初始裂纹源，不能有效提高第n类疲劳开裂模

式的疲劳性能。双面焊技术利用智能化机器人在u 肋内部进行焊接，使u肋坡口未熔透部分形成封闭 的刚性区域，可显著改善u肋与顶板连接焊缝的疲 劳性能。该新型构造细节已在武汉沌口长江公路大 桥上采用[7]，但仍缺乏对其疲劳性能的相关理论研 究。因此，本文建立典型正交异性钢桥面板节段有 限元模型，利用切口应力法分析双面焊的疲劳性能， 并对影响双面焊疲劳性能的关键参数进行了分析， 研究结果可为u肋与顶板双面焊构造细节的抗疲

以某实桥为例选取正交异性钢桥面板节段进行

研究。钢桥面板顶板厚16 mm;横隔板厚14 mm， 间距2. 5 m;U肋厚8 mm，上口宽300 mm，下口宽

170 mm，高280 mm，间距0. 6 m。钢桥面板节段长 7. 5 m，宽2. 6 m，高0. 5 m，共包含4个横隔板和4

个U肋。正交异性钢桥面板节段构造如图2所示。

图2

正交异性钢桥面板节段构造

Fig. 2 Segment of Orthotropic Steel Bridge Deck

3有限元模型

采用大型通用有限元软件ansys建立正交异 性钢桥面板节段有限元模型（图3)。顶板、U肋、横 隔板均采用实体单元Solid45模拟，并在关注焊缝

区域对网格划分进行细化。钢材弹性模量取2. 06 X 105 MPa，泊松比取0. 3。焊缝参数（图4)取 值为：焊缝与顶板的夹角&、&取135°、焊缝高度 、/i2取8 mm、焊缝未熔透间隙长度{取6. 4 mm。 边界条件为：①约束横隔板底部所有节点的竖向位 移，以模拟横隔板对模型的竖向支承作用；②约束 节段模型一端截面上顶板及U肋节点的纵向位移， 以模拟钢箱梁截面对模型的纵向约束作用；③约束 节段模型侧面顶板节点的横向位移，以模拟钢箱梁 对模型的横向约束作用。

为便于评估焊根的疲劳性能，本文采用切口应 力法[8]作为疲劳性能评价方法。在钢桥面板节段有 限元模型中的关注焊缝局部区域嵌入切口应力子模 型，以获得各疲劳易损部位的切口应力幅。在子模 型焊趾和焊根处均引入虚拟缺口半径为〇. 5 mm的 切口，并采用Solid95高阶实体单元进行网格划分， 切口区域单元网格尺寸小于〇. 1 mm。

疲劳荷载采用Eumcode 1规范[9]中的标准疲

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究 罗鹏军，张清华，龚代勋，卜一之，叶仲韬21

加效应。同时，标准疲劳车纵向最小轴距为1.2 m， 约为横隔板间距的1/2,接近U肋与顶板连接焊缝 纵向最大影响范围[1°]。因此，为简化计算采用单轮

加载方式。横向加载工况(图5)选取离关注焊缝最 近的3种典型荷载工况：两U肋间加载、骑U肋腹 板加载、U肋正上方加载。纵向加载起点为第2道 横隔板正上方，终点为中间2道横隔板之间的跨中 截面，分17步加载，并利用结构对称性获得各横向 工况下疲劳易损部位切口应力的完整纵向历程。

_________1 030_________. |150|15〇! .

540

十

730 _丨

工况

工况2 | ) | | | | | | ) | 判

1 m 1山

1

P=6〇 kN

图3钢桥面板节段有限元模型

单位：mm

Fig. 3 Finite Element Model for Segment

of Orthotropic Steel Bridge Deck

图5横向加载工况

Fig. 5 Transversal Loading Conditions

4 U肋与顶板连接焊缝疲劳性能分析

由于U肋与顶板连接焊缝的疲劳开裂主要受 垂直于裂纹扩展方向的应力分量影响[1°]，本文仅关

注顶板及U肋平面内并垂直于焊缝方向的切口应

图4

U肋与顶板连接焊缝参数

力分量。3种典型横向加载工况作用下，U肋与顶 板单面焊及双面焊外侧焊缝疲劳易损部位的切口应 力纵向历程分别如图6、图7所示。

由图6可知：①车轮作用在跨中时，U肋与顶 板单面焊连接各疲劳易损部位的压应力均最大；随 着车轮作用位置向横隔板方向移动，压应力迅速减 小，甚至变为拉应力，当车轮作用位置偏离跨中约 500 mm(约为加载边长度）时，顶板焊趾及焊根拉应 力最大，随后逐渐减小；当车轮作用在横隔板附近

Fig. 4 Parameters of U Rib-to-Deck Welded Joint

劳车(FLM3)，单轮作用荷载为60 kN，考虑70 mm 厚铺装层的扩散效应后作用于钢桥面板顶面的面积

为540 mmX 540 mm。由于U肋与顶板连接焊缝 横向受力的影响范围约为U肋开口宽度的3倍[1°]， 而标准疲劳车的轮距(2 m)大于U肋开口宽度的6 倍，单个轮轴上的2个车轮横向影响区域无明显叠

-75 -25 0 25 75125-125-75 -25 0 25 75125-75 -25 0 25 (c)焊根

75

车轮纵向加载位置/cm

(a)顶板焊趾

车轮纵向加载位置/cm

(b) U肋焊趾

车轮纵向加载位置/cm

图6单面焊疲劳易损部位切口应力纵向历程

Fig. 6 Notch Stress History of Fatigue Vulnerable Parts of Single-Side Weld under Loading Longitudinally

22桥梁建设 Bridge Construction2018, 48(2)

图7双面焊外侧焊缝疲劳易损部位切口应力纵向历程

Fig. 7 Notch Stress History of Fatigue Vulnerable Parts of Outer Side Weld of Double-Side Weld under Loading Longitudinally

时，各疲劳易损部位的切口应力基本为〇,这说明车

轮作用的纵向影响范围仅限于2个横隔板之间。② 各横向加载工况下，顶板焊趾和焊根的压应力绝对 值均远大于拉应力绝对值；U肋焊趾在工况1、2下 仅受压，在工况3下仅受拉。③U肋与顶板单面焊 连接的最不利疲劳易损部位为焊根，在最不利横向 加载工况（工况2)下焊根最大拉应力为27. 7 MPa， 最大压应力为94. 8 MPa。

由图7可知：各横向加载工况下，U肋与顶板双 面焊连接外侧焊缝各疲劳易损部位的切口应力纵向 历程与单面焊连接相似，但双面焊的最不利疲劳易 损部位为顶板焊趾，在最不利横向加载工况（工况 2)下最大拉应力为19. 4 MPa，最大压应力为79. 8

MPa，均小于单面焊的相应值；采用双面焊后，焊根

板焊趾；双面焊各疲劳易损部位的最大应力幅为

99.2 MPa，比单面焊的最大应力幅（122. 5 MPa)减 小19.1%;双面焊焊根的最大应力幅仅为35. 5 远远小于单面焊焊根的最大应力幅（122. 5 MPa，

MPa)。因此，U肋与顶板连接焊缝采用双面焊可

大大降低焊根部位出现疲劳开裂的可能性，这主要 是因为双面焊使U肋坡口未熔透部分形成了封闭 刚性区域。

55. 1

双面焊连接疲劳性能的影响因素分析

焊缝未熔透间隙长度及高度的影响

在第3节有限元模型的基础上，保持其他参数

不变，焊缝未焊透间隙长度^分别取〇、〇.&、0. ^、0. 6(、0. 8(、1. 0(((为U肋厚度），焊缝高度/n、/i2分 别取0. 8(、1. 0(、1. 2(，计算各疲劳易损部位的切口 应力幅。限于篇幅，本文仅给出最不利横向加载工 况（工况2)下，焊缝未焊透间隙长度和高度对顶板 焊趾切口应力幅的影响，如图8所示。

由图8可知：随着焊缝未熔透间隙长度的增加， 外侧顶板焊趾的切口应力幅略有降低，而内侧顶板 焊趾的切口应力幅略有增加，但变化幅度均较小，最 大不超过5% ;随着焊缝高度的增加，内、外侧顶板 焊趾的切口应力幅均逐渐减小，且内侧顶板焊趾的 减小幅度略大于外侧顶板焊趾，但减小幅度均不大， 最大仅为3. 5%。因此，焊缝未熔透间隙长度和高 度对U肋与顶板双面焊连接的疲劳性能影响较小。

部位的切口应力大大降低，各工况下最大拉应力和

压应力分别为10. 7 MPa和23. 9 MPa。双面焊连 接内侧焊缝各疲劳易损部位的切口应力纵向历程与 外侧焊缝相同，但相应的切口应力值均较小，不是双 面焊疲劳性能的控制部位。

由以上分析可知，U肋与顶板单面焊连接和双 面焊连接各疲劳易损部位均以受压为主，但考虑叠 加残余应力[11]后仍然为拉拉循环。各疲劳易损部 位考虑残余应力后的等效切口应力幅如表1所示。由表1可知：2种焊接形式的最不利横向加载 工况均为工况2;单面焊的最不利疲劳易损部位为 焊根，双面焊的最不利疲劳易损部位为外侧焊缝顶

表1

各疲劳易损部位等效切口应力幅

等效切口应力幅/MP:1

Tab. 1 Equivalent Notch Stress Ranges of Different Fatigue Vulnerable Parts

横向加载工况

123

单面焊

顶板焊趾

64. 785. 152. 4

U肋焊趾55. 929. 714. 4

双面焊

焊根

84. 8122. 584. 8

顶板焊趾外侧

73. 299. 262. 9

U肋焊趾

焊根

内侧

36. 417. 147. 1

内侧

54. 681. 454. 1

外侧

50. 832. 610. 1

外侧

20. 127. 815. 6

内侧

21. 935. 525. 5

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究 罗鹏军，张清华，龚代勋，卜一之，叶仲韬23

0

C 5

95

9o

85 C0

0

0.2t

0.4t

0.6t

0.8t

1. Ot

焊缝未熔透间隙长度

图8焊缝未熔透间隙长度和高度对顶板焊趾切口应力幅的影响

Fig. 8 Influences of Incomplete Penetration Gap Length and Height of Welds on Notch

Stress Ranges of Weld Toe of Deck

5. 2焊缝和顶板夹角的影响

保持其他参数不变，焊缝和顶板的夹角分别取

120°、135°、150°，计算11肋与顶板双面焊连接各疲 劳易损部位的切口应力幅。最不利横向加载工况 (工况2)下，焊缝和顶板夹角对疲劳易损部位切口 应力幅的影响如图9所示。

20 05 90 75 60 45

^

15(卜_---------------------------------------------------—°120

127.5

135

142.5

150

焊缝与顶板的夹角a八°)

图9焊缝和顶板间夹角对疲劳易损部位

切口应力幅的影响

Fig. 9 Influences of Included Angles between Welds and Deck

on Notch Stress Ranges of Fatigue Vulnerable Parts

由图9可知：外侧顶板焊趾始终为U肋与顶板 双面焊连接的最不利疲劳易损部位，其切口应力幅

随焊缝和顶板夹角的增大而减小，夹角由120°增加 到150°，切口应力幅由107. 1 MPa减小到78. 6

M P a，减小2 6. 6 % ;内侧顶板焊趾的切口应力幅随

夹角的增大先增大后减小，但均小于外侧顶板焊趾 的切口应力幅;U肋焊趾的切口应力幅随夹角的增 大而增大，焊根的切口应力幅随夹角的增大而减小， 但应力幅值均较小，最大值分别为35. 1 MPa、42. 7

MPa，远小于外侧顶板焊趾的切口应力幅。因此，增

大焊缝和顶板间夹角有利于提高U肋与顶板双面

焊连接的疲劳性能。

6

结论

本文通过有限元法分析了正交异性钢桥面板U 肋与顶板双面焊连接疲劳易损部位的切口应力幅及 焊缝构造参数对其疲劳性能的影响，得出以下结论:

(1) 各工况下，U肋与顶板单面焊连接的最大

切口应力幅为122. 5 MPa，双面焊连接的最大切口 应力幅为99. 2 MPa，比单面焊时减小19. 1%，双面 焊能有效提高U肋与顶板连接焊缝的疲劳性能。

(2) U肋与顶板单面焊连接的最不利疲劳易损 部位为焊根;而双面焊连接焊根处的最大切口应力 幅仅为35. 5 MPa，远小于外侧顶板焊趾处的切口应 力幅（99. 2 MPa)，最不利疲劳易损部位变为外侧顶 板焊趾。

(3) U肋与顶板双面焊连接最不利疲劳易损部 位的切口应力幅受焊缝未熔透间隙长度和高度的影 响较小；增大焊缝和顶板夹角可显著降低外侧顶板 焊趾的切口应力幅，提高U肋与顶板双面焊连接的 疲劳性能。

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24

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张清华

1975-，男，教授

1998年毕业于兰州交通大学土木

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罗鹏军

1988 —，男，博士生

2011年毕业于西南交通大学土木 工程专业，工学学士，2013年毕业 于西南交通大学建筑与土木工程专 业，工程硕士。研究方向：高性能钢 结构，钢一混凝土组合结构桥梁

LUO Peng-jun

E-mail：pjluol988@ 126. com

GONG Dai-xun

YE Zhong-tao

E-mail：swjtuzqh@126. com

龚代勋

1991 一，男，硕士生

2015年毕业于西南交通大学地质

工程专业，工学学士。研究方向：高性能钢结构，钢一混凝土组合结构桥梁

E-mail：gdx3248879@163. com

卜一之

1961 —，男，教授

1982年毕业于重庆交通大学道桥

工程专业，工学学士，1985年毕业 于西南交通大学桥梁工程专业，工 学硕士，1998年毕业于西南交通大 学桥梁工程专业，工学博士。研究 方向：高性能钢结构，钢一混凝土组 合结构桥梁E-mail： yizhibu@ 163. com

叶仲韬

1983 —，男，高级工程师

2006年毕业于四川大学土木工程

专业，工学学士，2009年毕业于西 南交通大学桥梁与隧道工程专业， 工学硕士。研究方向：桥梁结构健 全性评估E-mail：lanyiyzt@foxmail. com

(编辑：刘迎倩)