新型镦边U肋与面板连接焊缝切口应力分析

Bridge Construction, Vol. 47, No. 1, 2017 (Totally No. 242)

桥梁建设

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文章编号：1003 — 4722(2017)01 — 0065 — 06

新型镦边U肋与面板连接焊缝切口应力分析

梅大鹏W，廖贵星2

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430056)

摘要：正交异性钢桥面板焊接部位疲劳问题突出，为研究采用新型镦边U肋替代传统U 肋，其与正交异性钢桥面板焊缝处的应力改善情况，以典型正交异性钢桥面板为研究对象，按照实 际尺寸参数采用ANSYS有限元软件建立足尺节段模型进行分析。确定关注区域及最不利荷载加 载位置，在此基础上，建立焊缝局部精细模型，采用切口应力法分析镦边U肋与面板焊缝和传统U 肋与面板焊缝在焊趾及焊根部位的应力。结果表明：采用镦边U肋与传统U肋在U肋与面板焊 缝处应力分布基本相似；相对于传统U肋焊缝，镦边U肋焊缝在面板焊趾、焊根和U肋焊趾处应 力最大降幅分别为24. 3%、43. 8%、60. 5%，镦边U肋可以较好地改善U肋与面板焊缝处的应力 集中效应，有利于提高结构的抗疲劳性能。

关键词：正交异性钢桥面板；镦边U肋；焊缝；切口应力；疲劳性能；有限元法中图分类号：U443.31;U441.5

文献标志码：A

Notch Stress Analysis of Welded Connection of New

Type of Edge Upset U-Rib and Deck Plate

MEI Da-peng1'2, LIAO Gui-xing 2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China； 2. China Railway Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China)

Abstract： The fatigue problem of the welded connection of the orthotropic steel bridge deck plate is notable. To study the improvement of the stress in the welded connection of the U-rib and the deck plate by way of replacing the conventional U-rib with the new type of the edge upset U- rib, a typical orthotropic steel bridge deck plate was taken as the research object, the finite ele­ment software ANSYS was used to set up the full-scale sectional model for the deck plate according to the actual dimension parameters and the analysis of the model was correspondingly conducted. The areas of concern and the worst loading positions of the deck plate were determined, the refined model for the local part of the welded connection was established and the stress in the weld toes and weld roots of the welded connections of the edge upset U-rib and the deck plate and of the con­ventional U-rib and the deck plate were analyzed, using the notch stress method. The results dem­onstrate that the stress distribution respectively at the welded connections of the edge upset U-rib and the deck plate and at the conventional U-rib and the deck plate is basically similar. Compared to the welded connection of the conventional U-rib, the maximum stress decrease amplitude of the welded connection of the edge upset U-rib in the weld toe and weld root of the deck plate and in the weld toe of the U-rib is respectively 24. 3%, 43. 8% and 60. 5%. The edge upset U-rib can well

收稿日期：2016 — 08 — 23

基金项目：国家自然科学基金项目（51578455)

Project of National Natural Science Foundation, of China (51578455)作者筒介：梅大鹏，髙级工程师，E-mail:meidp@brdi. com. cn。研究方向：大跨度桥梁设计。

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improve the stress concentration effect of the welded connection of the U-rib and the deck plate and is conducible to the improvement of the fatigue performance of the structure.

Key words orthotropic steel bridge deck plate； edge upset U-rib； welded connection； notchstress； fatigue performance； finite element method

：

1引言

正交异性钢桥面板以其施工周期短、适用范围 广等优势，成为大跨度钢桥的首选桥面板形式。但 其复杂的结构体系使其受力不平顺，容易在焊缝连 接处产生应力集中，在反复的轮载作用下，正交异性 钢桥面板的疲劳问题突出。国内外学者对正交异性 钢桥面板结构疲劳开裂的病害调研和试验研究表 明[15]，U肋与面板的连接焊缝是最易产生疲劳裂纹 的细节之一，同时也是危害最为严重的正交异性钢 桥面板疲劳裂纹。其主要原因在于：面板直接承受 局部轮载而产生面外变形，局部围绕U肋发生横向 转动，产生的横向拉应力在几何构造不平顺的面板 与U肋焊缝处应力集中显著，从而使U肋与面板焊 缝处产生疲劳裂纹[6 7]。

优化局部构造、减小局部刚度过渡不平顺、降低 应力集中程度是提高该连接部位疲劳性能的有效途 径。随着智能化、自动化制造和焊接技术的发展，对 面板与U肋焊缝构造进行优化，通过增大U肋与面 板连接的焊缝尺寸，增加其局部面外抗弯刚度，以改 善局部刚度的突变问题。由此引入镦边U肋的构 造形式，与传统U肋相比，镦边U肋在腹板与面板 连接处的厚度增大，其构造形式见图1。镦边U肋 与传统U肋的差异主要体现在U肋与面板焊缝在 焊趾与焊根处的构造不同，导致焊缝细节的应力状 态改变，从而影响焊缝细节的疲劳性能。

目前对于镦边U肋的研究相对较少，为探究镦 边U肋相较于传统U肋抗疲劳性能的优劣，本文采 用切口应力法分析镦边U肋与面板焊缝处的应力 状态，以期通过采用新型镦边U肋构造，减小面板 与U肋焊缝处的应力集中程度及U肋腹板的面外 变形，从而改善结构的疲劳性能。

2

切口应力法基本原理

目前对于焊接构造的应力分析方法主要包括名 义应力法、热点应力法和切口应力法[81°]。由于结 构的刚度变化与几何不连续，在焊缝局部会引起应 力集中，使实际的局部应力远大于热点应力值和 名义应力值。切口应力法基于断裂力学，与名义应 力法和热点应力法相比，切口应力法考虑了结构刚

实地反映焊缝处局部的应力状态。

在实际中，因在尖端裂纹处出现较高的应力集 中，而材料的各向异性对应力集中的峰值产生约束， 致使计算所得切口应力值高于实际应力。为消除裂 纹尖端的约束效应的影响，本文在应用切口应力法

时考虑采用Neuber[12]提出的一种简化方法，gp采 用局部范围内的平均应力等效为裂纹尖端的应力。 该方法可直接在切口根部建立半径为0的虚拟切 口，根据文献[13]，当板厚大于5 mm，推荐值取 为1 mm，以保证虚拟切口与实际切口等效。

新型镦边U肋与面板连接焊缝切口应力分析

梅大鹏，廖贵星67

3有限元模型建立及最不利加载工况选取3.1有限元模型建立

以典型正交异性钢桥面板为研究对象，按照实 际尺寸参数采用ANSYS有限元软件建立足尺节段 模型（图3)。其中，正交异性钢桥面板长12 m、宽2. 4 m、厚18 mm;沿桥面板纵向每隔3 m设1道厚 16 mmmmmm的横隔板（U共5道）；沿桥面板横向每隔600

设1道肋，U肋上部宽300 mm、下部宽170 ，高280 mm，厚8 mm。钢材采用Q345qD钢， 弹性模量为210 GPa。

Fig. 3 Finite Element Model 图

3有限元模型及and Areas 应力关注of Stress Concern

位置

模型均采用4节点Shell43板壳单元模拟，每 个节点包括3个转动自由度和3个位移自由度，单 元总数为183 3个。约束方式采用节点约束，为 使约束条件尽可能与实际保持一致，在面板横向（X 轴）两端的节点施加3向位移及x和3；向转动约束，

模拟面板支撑在U肋之上；在面板与U肋纵向 轴）两端的节点施加3向位移约束及^和％向转动 约束，模拟面板与U肋连续支撑在横隔板之上；在 横隔板横向&轴）两端节点施加固结约束，模拟横 隔板焊接在箱梁腹板上。

(JTG车轮荷载采用《公路钢结构桥梁设计规范》

D — 2015)[14]中m级标准疲劳车荷载类型，

单个车轮与桥面板接触面积为400 mmX 400 mm， 轮重为60 kN。考虑到车辆的轴距和轮距较大，且

关注疲劳细节局部效应明显，因此采用单轮加载。 3.2最不利加载工况选取

为研究U肋与面板焊缝的应力状态，首先应确 定研究的关注区域及最不利荷载加载位置。根据纵

向位置，选取2个关注区域，区域一（2道横隔板中 间焊缝处）：横隔板C3与C4中间U肋（U3)左侧与 面板焊缝；C区域二(横隔板正上方焊缝处）：横隔板

3正上方U肋（U3)左侧与面板焊缝，见图3。为 确定U肋与面板连接焊缝最不利荷载加载位置，分 别选择面板和U肋上距离焊缝15 mm位置处的应 力作为评判指标，对应可能出现的沿面板焊趾(位置 1)及焊根(位置2)、沿纵肋焊趾(位置3)的疲劳裂纹 所在位置，进行受力分析。在此基础上，根据有限元 计算分析关注点单元应力随荷载横向位置^变化 的情况W为荷载中心线到易损细节的距离，分析步 长取为50 mm)，得出应力的横向影响线，进而得到 最不利加载位置。

关注点应力随荷载横向位置变化见图4,其中

xx及X：/表示横断面沿各板件方向。由图4(a)可

知：位置1和位置2单元顶面和底面分别为压应力 和拉应力，但应力值基本相同，说明此处应力状态以 弯曲应力为主，应力达到最大值时荷载位于关注细 节正上方。位置3单元顶面和底面拉、压应力出现 差异，说明此处应力状态包括膜应力的影响，随着荷 载位置越靠近关注细节，膜应力的影响越大，位置3 应力达到最大值时荷载位于关注细节左右两侧，主 要原因为荷载直接作用于U肋腹板上方，腹板传递

竖向压应力导致。由图4(b)可知：位置1和位置2 应力状态也以弯曲应力为主，应力达到最大值时荷 载位于关注细节右侧。位置3处应力状态由于横隔 板的影响，膜应力影响显著，应力达到最大值时荷载 位于关注细节右侧。

根据关注细节应力状态随荷载位置变化的情况 及关注细节处应力的变化规律，横向最不利工况可 简化为3个典型工况：工况I，J= 一 200 mm;工况 [[，<^ = 〇 mm;工况 HI，<^ = 200 mm。

4

切口应力分析

4.1切口应力局部模型

由于U肋与面板焊缝处几何构造较为复杂，采 用板壳单元不能准确地模拟实际焊缝的构造，因此 需要建立局部实体单元精细模型。局部模型包括横

隔板C3与横隔板C4中间处U肋（U3)与面板的焊 缝细节。考虑到单元划分的精度和模型的规模，采 用板壳单元和实体单元结合的方式。关注细节处单 个U肋、面板、横隔板以及U肋与面板焊缝在纵向

id以关注点为中心的一 1.0〜1.0 m范围内采用Sol-

45实体单元模拟，其余构件采用Shell43板壳单

68桥梁建设 Bridge Construction2017, 47(1)

街

懈鸯：

-40

-100

—50

-20

0

20

50

100

横向位置/cm (a)区域一

(b)区域二

Fig. 4 图

4关注点应力随荷载横向位with Transverse Stress of Points Positions of Concern Changing置变化 of Load

元模拟。采用切口应力法对焊趾及焊根处应力进行

分析，分别在U肋与面板焊缝处焊趾和焊根位置建 立半径为1 mm的虚拟切口，并保证切口周围2 mm 范围内单元划分规则且足够精细。焊缝局部有限元 模型见图5。

4.2镦边U肋与传统U肋对比分析

4.2. 1U 切口应力分布

肋与面板焊缝分别采用镦边U肋和传统U 肋的形式，其他结构参数不变，建立不同的局部有限

元模型进行对比分析，焊缝细节参数见图6,未焊透 厚度为2 mm，坡口角度为40°。

结合确定的3种最不利加载工况，对切口处的 等效应力进行分析。以工况I为例进行说明，该工 况下各部位切口应力分布见图7。由图7可知：①2 类焊缝应力总体分布基本相似。对于面板焊趾处切 口，镦边U肋与传统U肋相比最大应力值减小。② 对于面板焊根处切口，虽然应力集中部位同样分别 代表2、3类疲劳裂纹，但在传统U肋焊缝中最大值

面板焊趾

u面板焊根

肋焊趾

Fig. 5 图

5焊缝局部有限元Part of Welded Connection

Finite Element Model 模for Local型

Fig. 6 Parameters 图

6of Welded Connection Detail

焊缝细节参数

出现在偏下的位置，而在镦边u肋焊缝中最大值出 现在偏上的位置。③对于U肋焊趾处切口，由于

在

U肋焊趾处采用圆弧渐变宽度的方式减小了几

何不连续，因此并未在焊趾出现明显的应力集中。除工况n中镦边u肋面板焊趾与焊根处切口

应力略大于传统u肋构造外，其他部位及工况中， 镦边u肋构造应力集中程度及切口应力大小均小 于传统I

u肋。工况n与工况m的其他结论与工况 类似。

4.2. 2切口应力最大值

各工况切口应力最大值对比结果表明：相对于 传统u肋，新型镦边u肋在工况I〜m下，面板焊 趾应力分别由82.4 MPa减小为76. 1 MPa(降幅为 8. 3%)、由66. 4 MPa增大为77. 5 MPa(增幅为 12. 1%)、由 37. 9 MPa 减小为 28. 7 MPa(降幅为 24. 3%);面板焊根应力分别由59.4 MPa减小为45

MPa(降幅为 24. 2%)、由 58. 4 MPaMPa 增大为 62. 7

(增幅为 6. 9%)、由 118. 4 MPaMPa 减小为 66. 7 (降幅为43.8%);11肋焊趾应力分别由54.7

新型镦边U肋与面板连接焊缝切口应力分析

梅大鹏，廖贵星69

传统

U肋

镦边

U肋

传统

U肋

镦边

U肋

传统

U肋

镦边

U肋

54. 7

()

a

面板焊趾处切口()

b

面板焊根处切口()

cU肋焊趾处切口单位：MPa

7 工况I切口应力分布对比

Fig. 7 Comparison of Notch Stress Distribution of Load Case I

图

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(1) 镦边U肋焊缝与传统U肋焊缝应力分布 48(4) ；72-83.基本相似，U肋与面板焊缝处应力集中效应减小。(ZHANG Qing-hua» CUI Chuang, BU Yi-zhi, et al.

Full-Scale Girder Segment Model Test on Fatigue Fea­(2) 相对于传统U肋焊缝，新型镦边U肋焊缝

ture of Orthotropic Steel Bridge Deck[J]« China Civil 在面板焊趾、焊根和U肋焊趾处应力最大降幅分别

Engineering Journal，2015 s 43(4) : 72 — 83. in Chi­为24. 3%、43. 8%、60. 5%，表明采用镦边U肋焊缝

nese)

时可以较好地改善这些部位的应力集中，有利于提 高结构抗疲劳性能4

(3) 新型镦边U肋的疲劳寿命及损伤机理有待进騰步研究。

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上述分析结果表明，采用镦边U肋焊缝尤其在 面板焊根和U肋焊趾部位，应力集中效应得到明显

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MEI Da-peng

LIAO Gui-xing

1978 —梅大鹏

2002，男，高级工程师

年毕业于西南交通大学土木 工程专业，工学学士，2008年毕业

于中南大学建筑与土木工程专业， 工程硕士。研究方向：大跨度桥梁 设计

E-mail ： meidp@brdi. com. cn

1991 廖贵星

2013一，男，助理工程师

年毕业于西南交通大学土木 工程专业，工学学士，2016年毕业

于西南交通大学桥梁工程专业，工 程硕士。研究方向：钢结构桥梁与 钢E-mail一混凝土组合结构桥梁设计 ：guixingliao@126. com

(编辑：叶

青

)