图4.2-17 角焊缝焊趾处应力集中和疲劳裂缝图
图4.2-18 K型焊缝示意 图4.2-19 肋与隔板和桥面板连接处局部应力和裂缝面
6) 焊接残余应力的影响
由于焊接时在焊接中心产生局部高达1600℃以上的高温，从而在焊件内部产生较高的温度应力，焊接温度应力较高时会使钢材屈服而发生塑性变形，钢材冷却后将有残存于焊件内部的应力，称为焊接残余应力，相应的变形成为焊接残余变形。焊接残余应力是形成各种焊接裂纹的因素之一，焊接残余应力主要分为纵向焊接残余应力和横向焊接残余应力，如图4.2-20。
（a） 桥面板焊接和裂缝位置示意
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（b）残余应力分布
图4.2-20 桥面板和U肋焊接处温度场和纵横向残余应力分布图
纵向焊接残余应力：U肋焊接时，焊缝沿纵向（焊缝长度方向）收缩时，将产生纵向焊接残余应力，焊缝及附近区域内为拉应力，其数值最大时会接近钢材的屈服强度。
横向焊接残余应力，垂直于焊缝长度方向的焊接残余应力是由焊缝及附近区域，在焊接时横向塑性变形荷冷却时横向收缩所引起的，横向焊接残余应力的分布比较复杂，图2.35给出的是从一端向另一段连续焊接的时候横向应力分布，当焊接施工顺序改变时（如：采用从中间向两边焊接），此分布会发生相应的变化。桥面板和U肋一般采用部分熔透焊缝连接，如果焊接时不进行特殊处理，桥面板和U肋连接的焊缝无论在纵桥向和横桥向都存在较大的残余应力。
U肋与桥面板的不完全熔透的焊接连接，其横向残余应力对应桥面板中横桥向的应力，根据图4.2-20可知在很大的区域内为拉应力。同时，U肋与隔板焊接连接的纵向残余应力也对应桥面板中横桥向的应力，根据图4.2-20可知在焊缝附近为拉应力。两种应力叠加，使得U肋与隔板和桥面板连接处存在较大的残余应力。另外，U肋与隔板和桥面板连接处还存在应力集中，使得此处成为疲劳最敏感部位，疲劳强度较低，容易发生疲劳破坏。
虎门大桥桥面板中的实际残余应力状态和施工工序和焊接工艺密切相关。目前，残余应力的精确计算比较困难。实际的残余应力可以通过试验的方法进行测定。
4.3 正交异性钢桥面板局部应力分析
正交异性钢桥面板在现代钢桥中被广泛才用，我国大跨度桥梁如虎门大桥、江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥、苏通长江大桥、杭州湾大桥等均采用正交异性钢桥面板。然而在车辆局部荷载作用下，正交异性钢桥面板受力复杂，各焊接细节易出现疲劳问题，并且随着交通流量的增加，特别是重型车辆和超重车辆的增加，正交异性钢桥面板的疲劳损伤问题更加突出。正交异性钢桥面板在车轮局部荷载下，桥面板局部横向弯曲，使得在焊接连接处产生较高的应力集中，很多研究者都对此进行了研究，但是没有明确应力集中的程度。
本文以我国虎门大桥悬索桥为原型，采用空间有限元模型，研究在当前设计规范规定的车辆荷载作用下，桥面板的应力分布情况。该桥桥面板厚12mm，下设槽形闭口肋，肋高262mm，肋上口宽316mm，肋下部宽201mm，肋间距304mm，横隔板间距4m。
文中采用板壳有限元模拟正交异性钢桥面板，分析重车后轴在横桥向和纵桥向不同位置时桥面板的应力集中情况，可以为精确的评价桥面板焊接细节的疲劳性能做准备。
70mm的沥青混凝土铺装层
（a）虎门大桥
图4.3-1加劲梁及正交异性桥面板构造(单位：mm)
4.3.1 有限元分析模型
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选用大型有限元ANSYS建模，分析中采用板壳单元SHELL63模拟正交异性钢桥面板各部分，SHELL63单元有4个节点，每个节点有6个自由度，既能体现桥面板的弯曲应力特性，又能体现结构的薄膜应力，符合钢桥面板的应力特征和几何特性。
由于我国公路桥梁设计规范中，没有专门的疲劳设计荷载，在本文有限元计算中，车轮局部荷载暂按照《公路桥梁设计通用规范》(JTG60-2004)的强度设计荷载进行分析，如图4.3-2所示。
3t12t12t14t14t30.311.412.871.40.20.531.412.871.41.8 图4.3-2 公路车辆标准荷载（单位：m）
计算中将标准车辆的后轴直接加在桥面板上，中、后轮与桥面板的接触面积为200×600mm，经桥面70mm铺装层扩散后的接触面积为340×740mm。本文分析中未计车辆作用时的冲击系数。
在进行有限元分析时，分别建立了整体和局部有限元模型，如图4.3-3所示。经计算可以发现在车轮作用下桥面钢板局部会出现较大的应力，且这种局部应力主要集中在较小的区域以内（约在2～3个U肋的范围内），各处轮压造成的应力分布情况相对独立，应力分布影响范围很小。
图4.3-3 整体箱梁和局部桥面有限元模型
局部桥面板模型为5U肋5跨（含6个横隔板）。模型长20米，宽3.1米。横隔板底部施加固端约束。采用图2所示的车辆荷载的后轮单独作用，荷载作用在U肋上部，并分别作用在跨中和横隔板处，轮压作用面积为740×340 mm2作为代表性工况进行比较，见表4.3-1。可见整体箱梁模型和局部桥面模型所得的应力相差很小，因此分析单轮荷载作用桥面板时，采用局部桥面板的有限元进行计算，既可以节约计算资源也可获得足够的精度。
表4.3-1 跨中加载桥面上表面应力（MPa） 应力
跨中处
?x ?z ?M
横隔板处 ?x ?z ?M
整体 51.1 0.7 51.4 -5.9 8.4 12.6 局部 50.4 0.4 50.6 -4.6 9.8 12.8
注：?x-横桥向应力；?z-纵桥向应力；?M-von Mises应力
4.3.2 单轮荷载作用下桥面板应力分布