碳纤维布加固钢箱梁的热点应力计算方法研究＊

方太云，陈雄飞，杨朝辉，张 剑，艾 军

（1.江苏省交通运输厅 工程质量监督局，江苏 南京210001；2.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京214521；3.浙江交工高等级公路养护有限公司，浙江 杭州310019；4.南京航空航天大学，江苏 南京210016）

钢箱梁是一种复杂的焊接结构，疲劳强度是评定焊接结构一项重要的技术指标。疲劳裂纹一般出现在焊接接头的焊趾处，主要由焊趾附近的最大应力所引起，因此，常使用结构应力分析方法来评价焊接接头的疲劳强度。结构应力也被称作热点应力，所谓热点是指焊接构件节点处最可能发生疲劳裂纹的起始点［1］。钢桥的疲劳设计主要使用的是名义应力和热点应力。名义应力方法需要首先计算出构件相关截面上的平均应力，然后判断平均应力是否小于疲劳断裂时的持久名义应力。相比与名义应力，热点应力计算考虑到焊接接头结构细部处产生的应力集中，而焊趾通常为疲劳裂纹萌生和扩展的关键部位［2－3］。热点应力计算的研究主要通过测试手段或者通过数值计算的手段得到。相关学者用热点应力方法整理了不锈钢弧形焊接构件节点疲劳试验的试验结果。结果表明，以热点应力幅表示的S－N曲线适合不同疲劳等级的焊接节点的疲劳设计。文献［4］采用试验的方法确定了T型焊接的薄壁方形钢管结构热点区域的应变，并将名义应力表述的S－N曲线转换成以热点应力表述的S－N曲线。蒲黔辉等［5］应用ANSYS软件计算了正交异性钢顶板的热点应力，与名义应力法相比，热点应力法可以较好地反映正交异性钢顶板疲劳开裂的实质。碳纤维布是一种性能优越的复合材料，具有高强度、耐腐蚀等诸多优点，纤维布加固工程已有诸多学者予以重视，本文就碳纤维布加固钢箱梁的热点应力展开分析。

1 钢箱梁加固方法

节段式钢箱梁试件的形状和尺寸如图1所示，试件为由顶板和U型纵肋焊接而成的结构。其中，试件的材料为Q345b钢，焊接材料为E50型。采用2种加固方式，加固方式Ⅰ为单层碳纤维布加固，纤维布整个粘贴顶板底部和U肋边缘；加固方式Ⅱ为单层碳纤维布加固，纤维布粘贴顶板底部和U肋边缘，但U肋底部不粘贴。

图1 节段式钢箱梁试件尺寸

2 钢箱梁计算模型和数据分析

本文应用ANSYS软件建立有限元模型。钢箱梁模型采用体单元solid45模拟，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.3；碳纤维布采用shell63单元模拟（见图2和图3），其弹性模量为230GPa和，泊松比为0.1。

图2 加固方式Ⅰ有限元模型图

图3 加固方式Ⅱ纤维布有限元模型图

由于钢箱梁加固有限元模型具有对称性，因此，选取1／2来显示应力计算结果即可。钢箱梁加固有限元部分应力云图如图4～图7所示。

图4 加固方式Ⅰ的钢箱梁x方向应力云图

图5 加固方式Ⅰ的纤维布x方向应力云图

图6 加固方式Ⅱ的钢箱梁x方向应力云图

图7 加固方式Ⅱ的纤维布x方向应力云图

各种加固方式计算出的最大应力结果见表1。从表1可知，钢箱梁各种加固方式计算出的x方向应力分量较大，这是因为建模焊缝处存在变截面，变截面易引起应力集中现象。考虑到加载过程中力的传递是通过液压缸首先传递给一块钢板，然后传递给一块橡胶板，最后才传递给试件；因此，本文建模过程中约束了试件上一部分节点的位移，使得试件与橡胶板接触部分的位移变形一致。通过在面上施加力来模拟加载过程，当面载荷转换为节点载荷后，在边缘节点处易引起类似于集中力引起的应力集中现象。当除去这部分节点后，其余模型的应力水平满足要求。

表1 钢箱梁应力计算结果 （MPa）

近年来，使用热点应力的方法对焊接结构进行疲劳设计和评定受到广泛重视。使用热点应力评定焊接区域，主要有如下几种外推的方法：1）直接提取距离热点0.5t处的应力值，以该处的应力值作为热点处的应力值；2）各船级社推荐，提取距离热点位置0.5t和1.5t处的应力值进行外推；3）国际焊接学会（IIW）推荐，提取距离热点0.4t和1.0t处的应力值进行两点线性外推；4）提取距离热点0.4t、0.9t和1.4t处的应力值进行三点二次外推；5）提取距离热点0.5t、1.0t和2.5t处的应力值进行三点二次外推。

对比这5种模型计算出的钢箱梁顶板热点处的应力（见表2）发现，加固方式Ⅰ、加固方式Ⅱ的热点应力差别不大，而加固方式Ⅱ相对于加固方式Ⅰ更节省材料，故加固方式Ⅱ相比为可取。

表2 加固方式Ⅰ模型热点应力

表3 加固方式Ⅱ模型热点应力

3 结语

疲劳裂纹的出现使得钢箱梁运营存在重大隐患，碳纤维布加固是疲劳加固的一种较为有效的措施。本文根据节段式构件，采用碳纤维布不同的粘贴加固方式进行处理，并建立碳纤维布加固钢箱梁的ANSYS有限元模型，钢箱梁模型采取体单元solid45模拟，碳纤维布采用shell63单元模拟，并利用多种外推方法对焊接区域的热点应力进行了计算分析。综合疲劳应力和经济指标可知，焊接部位粘贴纤维布的加固方式（加固方式Ⅱ）更具有优势。

［1］周太全.桥梁构件局部热点应力分析及其疲劳损伤累积过程模拟［D］.南京：东南大学，2003.

［2］曾志斌.正交异性钢顶板典型疲劳裂纹分类及其原因分析［J］.钢结构，2011，143（2）：9－15，26.

［3］贾法勇，霍立兴，张玉凤，等.热点应力有限元分析的主要影响因素［J］.焊接学报，2003，24（3）：27－30，100.

［4］吴阿明.桥梁钢结构腐蚀与疲劳应力研究［D］.西安：长安大学，2013.

［5］蒲黔辉，高立强，刘振标，等.基于热点应力法的正交异性钢顶板疲劳验算［J］.西南交通大学学报，2013，48（3）：395－401.