超大跨径斜拉桥焊接细节热点应力集中系数研究

3 1 0 科技研究

城市道桥与防洪

2 0 1 3年8月第 8期

超大跨径斜拉桥焊接细节热点应力集中系数研究李元兵(上海同济建设工程质量检测站，上海市 2 0 0 0 9 2)

摘

要：该文以某斜拉桥为研究背景，基于外推法和 D o n g氏法，研究了超大跨径斜拉桥钢箱梁焊接细节热点应力集中效应，确立

了热点应力计算方法，并测试分析了各主要焊接细节焊趾应力集中效应。结果表明：边界条件对计算结果影响不明显，网格划分密度对计算结果影响较大，需予以重视。

关键词：粗糙模型；子模型；热点应力集中系数 .步 推法中图分类号： U 4 4 5 . 5 8 * 3、 U 4 4 1 . 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 9— 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 7— 0 3 1 0— 0 4

0前言超大跨径斜拉桥作为焊接结构，由于焊缝焊趾处的应力集中、残余拉应力和焊接缺陷的作用， 其疲劳强度大幅度地低于基本金属的疲劳强度， 因而，各焊接细节是最易发生疲劳破坏的位置。目 前针对钢桥的疲劳设计和评估，广泛采用的是基于s— N曲线的名义应力法。但使用的 s— N曲线必须与特定的焊接细节相对应，由于有效的疲劳试验数据极其匮乏，难以建立众多焊接细节的疲劳寿命 S - N曲线，设计时又常存在判断焊接细节类型的混乱，甚至误判和错判。目前，国内和国际上评估焊接细节疲劳寿命，应用较为广泛的是基于热点应力幅的 S - N曲线法。与名义应力法需确定焊接细节不同，热点应力直接考虑了焊接节点焊缝周围应力的不均匀分布，且排除了焊缝形状和焊接缺陷的影响，使得具有不同焊缝截面和焊趾条件的同种材料焊接节点可以采用相同的 S - N曲 线来预测疲劳寿命。热点应力决定了疲劳裂纹的扩展方式，是节点疲劳寿命的主要影响因素，可由 热点应力集中系数计算而得。由于热点应力集中 受载荷方式、焊件几何尺寸等因素影响；采用有限元数值分析，其结果对单元类型及网格划分比较敏感；若选用外推法计算，外推点的选择亦跟焊接方式和焊缝几何形状有关。目前，热点应力集中系数的研究主要集中海洋平台、船舶等领域，在桥梁工程中很少涉及；研究的手段多是通过

有限元数值模拟，缺乏有效的试验验证l l - 4 1。本文基于国内外

1工程背景某斜拉桥为 1 0 0 m+ 1 0 0 m+ 3 0 0 m+ l 0 8 8 m(中 跨)+ 3 0 0 m+ 1 0 0 m+ 1 0 0 m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主梁采用扁平流线形钢箱梁。顶板在顺桥向不同区段采用了 1 4~ 2 4 m l n不同的厚度，横桥向靠近外腹板 2 . 5 5 m范围内采用了 2 0 mm、 2 4 mm两种厚度，顶板设置了 8~1 0 m m厚的 u型加劲肋； 底板在顺桥向不同区段采用了 1 2~2 4 m m不同的厚度，并设置了 6—8 m m厚的 u型加劲肋。钢箱梁内设置了横隔板，其标准间距为 4 0 0 e m。非吊点处横隔板一般为 1 0 l n r f l厚，拉索吊点处横隔板采用变厚度，即外腹板附近为 1 6 m i l l厚、中间为 1 2 m m 厚。钢箱梁内设置两道纵隔板，除竖向支承区、压重区和索塔附近梁段采用实腹板式外，余均为桁架式。斜拉索在主梁上的锚固采用锚箱式，锚箱安装在主梁腹板外侧，并与其焊成一体。主梁采用 Q 3 7 0 q O和 Q 3 4 5 q D钢材，钢材屈服强度及其相关容许应力随板厚变化根据 G B/ T 7 1 4— 2 0 0 0规定执行。索塔采用倒 Y形混凝土塔，上塔柱为对称单箱单室断面，壁厚在斜拉索锚固面为 1 0 0 c m,非锚固面为 1 2 0 e m。斜拉索在索塔上的锚固，第 1~3对直接锚固在上塔柱的混凝土底座上，其他采用钢锚箱锚固。钢锚箱包裹在上塔柱混凝土中。钢锚箱采用节段制作，节段长 7 l 1 . 8— 8 5 1 . 7 c m,宽2 4 0 e m,高 2 3 0~3 5 5 c m,节段间采用高强螺栓连接；钢锚箱与索塔之间侧向接触面采用剪力钉连接，最下端直接支撑于混凝土底座上。

现有的热点应力计算理论，对超大跨径斜拉桥焊接细节的热点应力集中系数进行数值分析和试验验证。收稿日期： 2 0 1 3— 0 5— 0 8

2有限元数值模拟用有限元法分析焊接节点热点应力，计算结果的精度很大程度上取决于所建立的有限元模型是否合理。尤其是网格划分、单元类型、边界条件， 以及焊缝的模拟等直接影响了计算结果。考虑到

作者

简介：李元兵 ( 1 9 7 9 - ),男，湖北应城人，博士， q -￣￣ l i,研究方向：桥梁结构退化与损伤评估。