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KSCE土木工程学报（2017）21（6）：2338-2350 Copyrightⓒ2017韩国土木工程师学会

DOI 10.1007/s12205-016-1117-x

技术说明

结构工程

pISSN 1226-7988，eISSN 1976-3808

www.springer.com/12205

斜交正交异性钢桥面桥梁疲劳性能的混合耦合数值模拟

飞燕*，林志彬**，黄莹***

收到2016年6月20日/ 2016年8月24日修订/ 2016年9月11日接受/网上发布2016年11月28日

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摘要

斜拉正交异性钢桥面桥梁疲劳行为和评估的有效方法和技术对于确保其安全性和可用性至关重要。 在这项研究中，混合维有限元耦合方法被用于结构疲劳评估。 与传统的子建模或子结构方法相比，在简单性和效率之间折中的基础上构建了混合维耦合（MDC）方法的一般框架。 通过MDC方法研究了焊接接头的疲劳细节和性能。 通过与简化的桥面板系统（BDS）方法的比较来证明MDC方法的效率。 除了节省时间的好处之外，数值模拟还表明，MDC方法可以有效地捕捉全局行为，从而更好地预测疲劳，而传统的BDS方法在预期情况下可以忽略。 研究结果表明，MDC方法是大跨度正交异性钢桥面桥梁疲劳行为和疲劳评估的一种经济有效的替代方法。

关键词：斜拉正交异性钢桥面板，混合维耦合，有限元建模，疲劳评估

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介绍

由于与传统混凝土板相比，高强度重量比具有较高的强度重量比，因此正交异性钢桥面板已被接受为减少跨中至大跨度斜拉桥的静载荷的有效解决方案（Mangus and Sun，1999; Chen and Duan，2014; Wang等，2010;葛和祥，2011）。 正交各向异性钢板中存在大量焊接细节，这些复杂的焊接接头通常显示出复杂的结构特性，因此容易遭受疲劳失效，并因此导致其安全性和可用性方面的主要问题。 在现有的设计标准中已经详细规定了焊接技术的要求。 例如，AASHTO LRFD桥梁设计规范（AASHTO，1998;日本道路协会，2002）要求至少80％的部分接头穿透焊缝，而日本道路协会规定至少75％。 即使如此，疲劳仍然可能在小的焊接缺陷处开始初始化，而这些焊接缺陷可能由钢厂，建筑或服务中产生。 如图1所示的现场焊接接头（Kolstein，2007），正交异性钢板通常由钢厂的一组标准部分焊接，然后在现场连接在一起，这可能导致不利的疲劳开始缺陷。 焊接细节的疲劳裂纹

已在美国和全世界普遍报道（Frangopol等，2010; Boersma和De Jong，2003; Miki，2006）。 因此，有效预测疲劳行为势在必行。

疲劳通常局部初始化并随着应力集中而传播。 为了有效预测疲劳行为，通常使用精细有限元（FE）建模。 文献表明，许多数值模拟方法通过部分/整体模型通过壳/实体单元请求复杂的建模或技术，以确保分析的准确性（Schijve，1996; Xiao等，2008; Ya等，2010）。 考虑到大型和大跨度斜拉桥，这是一项耗时且成本高昂的任务。 现有有限元建模的这些特征是不仅在疲劳预测中施加约束，而且影响精度的缺点。 在单一模型中同时考虑全局结构行为和局部应力反应更为合理，称为多尺度建模。

有多种可能的多尺度建模解决方案可以包括全局和局部结构行为，包括子建模，子结构和混合维耦合方法。 子建模方法采用两步建模策略，其中对简化的全局结构进行建模，然后进行建模

*博士学位。 北达科他州立大学土木与环境工程系候选人，美国北达科他州法戈58018-6050（通讯作者，电子邮件：fei.yan@ndsu.edu）

**美国北达科他州法戈北达科他州州立大学土木与环境工程系助理教授58018-6050（电子邮件：zhibin.lin@ndsu.edu）

***美国北达科他州法戈58018-6050达科他州立大学233N8ominus;土木与环境工程师minus;助理教授（电子邮件：

ying.huang@ndsu.edu）

图1.现场焊接接头（Kolstein，2007）

详细的本地部分。 结构全局行为是从简化有限元模型的结构分析中提取出来的，并应用于局部有限元模型作为外部行为（Chan等，2001）。 通过考虑从全局结构导出的边界条件，可以在局部有限元模型上执行疲劳损伤估计和使用寿命预测。 然而，如果操作不准确，提取局部有限元模型可能会导致严重错误（Chan et al。，2012）。 另一方面，子结构方法是将局部有限元模型压缩为超单元，然后将它们组装在一起形成整个结构（Li et al。，2009）。 全局模型的内力和局部模型的正应力可以直接从一个有限元模型导出，克服了子建模方法中的复杂程序。 尽管如此，在超单元冷凝和组装方面的实施将会很复杂。

通过简化的建模程序，混合维耦合方法在简单性和效率之间取得了很好的平衡，并且已经成功地应用于大跨度桥梁的数值模拟（Li et al。，2007; Chan et al。，2008; Yan et al。 ，2016）。 它避免了子建模方法的两步建模过程繁琐，也避免了子结构方法的超单元的复杂提取和生成。 MDC方法的概念是用低阶元素（如梁单元）对整个结构进行大规模建模，而对于具有高阶单元的小尺度局部部分（如壳单元），则需要对整个结构进行建模。 通过引入耦合约束条件，在不同类型的元素之间的边界处创建连接。 全球结构的反应直接反映并采取行动反对地方结构。 Li等人 通过用梁单元模拟整体结构，同时与壳单元局部连接（Li et al。，2007），研究了吊桥（青马大桥）中桁架节点的疲劳损伤。 然而，使用MDC方法对正交异性钢桥的疲劳评估进行了有限的研究。 目前大多数关于某些焊接细节的研究都是通过小型实验或局部有限元模型进行的，其中全球疲劳响应无法追踪。 此外，考虑到连接

在正交各向异性的钢桥上忽略了从索力解决的问题。 目前还不清楚这种近似是否会导致疲劳损伤的偏差。

为了考虑全局结构特性对正交异性钢桥疲劳细节的影响，本研究在商业有限元程序ANSYS^TM值的基础上，采用MDC方法建立了多尺度建模的概念。 介绍了建模实施的框架。 通过影响线分析研究正交各向异性钢甲板中与应力有关的疲劳特性，并与桥面系统（BDS）法的有限元模型的结果进行比较。 此外，MDC方法的概念和实施通过位于中国宁波的斜拉桥的案例研究来验证，其中根据美国国家公路交通官员协会（AASHTO）的规范计算了疲劳损伤，欧洲准则（欧洲规范）。

正交异性钢桥梁疲劳性能和疲劳细节评估的混合耦合方法框架

• 1. 混合维度耦合方法

图2显示了MDC有限元方法的原理图。 结果表明，需要开发自由度（DOF）的耦合，以在特定位置捕获关键信息，其中详细几何形状由壳/

在结构之间被简化为边界条件

minus;

图2 MDC示意图：（a）概念，（b）束壳约束（Wang et al。，2014）

minus;

常规分析，纵向和横向贡献

卷。 21号，第6号/ 2017年9月 2339

实体元素，同时保留来自整个结构的全局属性。 局部细节使用二维和/或三维元素（即，壳/板/实体元素），能够跟踪关键部分的精细应力/应变，而全局结构使用一维元素（即链接/梁单元）用于保留全局结构行为。

本研究主要采用面向商业FE程序ANSYS^TM值的方法。 基本上，有两种类型的方法可以实现不同类型元素之间的连接。 一种是基于在接口两侧完成的工作在与梁和壳单元相关联的节点上建立多点约束（MPC）方程。 据报道，可靠和持续的压力可以通过数值模拟获得（Chan等，2012）。 但是，这些耦合位移的系数必须事先确定。 对于简单的问题，可以根据耦合节点的几何关系来解决，而对于复杂的问题则很麻烦。 因此，在应用方便性和工程精度方面，本研究采用运动学MDC方法。 如图3所示，运动学耦合方法将与壳/实体单元相关的从节点的自由度约束为与波束/链接单元相关的主节点的自由度（Adams and Askenazi，1999）。 将壳体/实体和梁/连杆之间的连接界面作为刚性区域允许实现位移兼容性和应力平衡。

由于在耦合平面中产生了一个刚性区域，所有自由度的关系需要满足方程 （1）（ANSYS Ltd.，2012）：

Coef1times;DOF1times;Coef2times;DOF2times;Coef3times;DOF3 ... =常数

(1)

其中Coef_i是i_日DOF的系数，并且可以在FE分析期间自动确定。 在相关工作中可以找到使用ANSYS软件包验证MDC方法（Yu et al。，2012）。

考虑到靠近耦合界面的区域显示出比应该更高的刚度，根据圣维南原理，界面的长度应该具有一倍以上的构件高度以避免最终效应。 建议细化部分的长度为构件高度的三到四倍，与Wang等人的相似。 （2014）。 为了获得精确的疲劳评估压力水平，部分

图3. ANSYS中的运动耦合TM值

甲板的长度需要排除耦合界面的影响。 在距连接一定距离之外，可靠的应力分布是可推导的。

• 1. 用MDC法建立整体正交异性钢桥系统

图4展示了使用正交异性钢桥梁的MDC方法的建模框架。在全球范围内，斜拉桥主梁，塔架和缆索的基本结构部件由低阶单元以降低计算成本。 考虑到弯曲条件，梁单元被用于主梁和塔的建模。 虽然链接元素（仅限张力）用于模拟电缆，并考虑了下垂效应。 在局部范围内，正交异性甲板被分类为纵向肋骨，甲板板和隔板，这些都是通过壳体单元在详细几何模型中进行模拟以进行精细分析。 此后，桥面板移动到整个结构中，形成混合维有限元模型用于进一步的疲劳应力分析。 因此，对于车辆引起的疲劳问题，车辆引起的强迫条件变化的影响同时对BDS生效，这与接近使用中的桥梁的实际状态相同。

尽管通过将横截面的复杂几何形状等同于等同的简单部分，梁单元的引入节省了大量计算时间，但如果不精确计算截面特性，它也可能导致不准确。 特别是对于正交各向异性钢桥梁，广泛采用梯形肋加固的扁平箱梁，频繁观察开放式扶强材多的钢塔。

图4正交异性钢桥梁的MDC方法的建模框架

minus;

minus;

图5.梁单元的啮合条件

因此，这种复杂的几何网格对于获得准确的截面特性是必不可少的。 通过引入ANSYS提供的梁库^TM值，可以精确地计算出复杂的剖面，如图5所示，用于梁和塔的啮合。 主要加强筋在横截面上进行建模，加强筋和腹板之间的交叉点相应地共用相同的节点。

此外，通过施加初始应变或降低电缆温度，可以实现完成桥梁状态下的电缆预应力效果。 值得注意的是，为了获得真正的最终索力，由于大跨度桥梁的几何非线性，必须进行一些相互作用。

• 1. 正交异性钢桥在建模中的典型疲劳细节

一般来说，疲劳损伤起因于在工厂和/或施工现场引起的焊接缺陷，并且可能因使用寿命中重复的车辆负载而加重。 图6和表1示出了甲板系统中的典型焊接细节，包括：a）纵向肋条中的对焊接头; b）肋对甲板焊接接头; c）肋 - 腹板（或隔膜）接头; d）甲板上的对焊接头。 另外，观察到沿膈缘的扇贝切口常因疲劳而失败（Fricke和Paetzoldt，1995）。 因此，对正交异性钢桥梁焊接细节的有效疲劳评估有很高的要求，以保证桥梁的健康，并在保存活动中及时作出决策。 以下部分将讨论MDC方法的一般实施方法，以评估各向异性钢桥梁焊接细节分类中的疲劳

表1.详细信息类别常量A和阈值

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