بررسی ترک های ناشی از خستگی در عرشه های ارتوتروپیک پل های فولادی و روش های مقاوم سازی آن

خستگی یکی از پدیده های شناخته شده در عرشه ارتوتروپیک فولادی است. جزئیات مختلف جوش شده در این عرشه ها نشان داده است که نسبت به بارگذاری خستگی بسیار حساس هستند و طول عمر خستگی مورد انتظار برای عرشه را شدیدا کاهش می دهند. در میان آسیب های خستگی مشاهده شده، جوش های طولی که برای اتصال تیرچه های طولی بسته به صفحه عرشه صورت می گیرند، از تهدید آمیزترین و شایع ترین حالات آسیب خستگی در عرشه های ارتوتروپیک فولادی هستند. یکی از دلایل اصلی برای این مشکل سختی کم صفحه عرشه است که برای مقابله با بارهای چرخ در ترافیک های سنگین ناکافی است. هنگامیکه حجم بار ترافیک بر روی این عرشه ها افزایش مییابد، به خاطر ضخامت نسبتا کم صفحه عرشه و تیرچه طولی، توزیع عرضی بارهای چرخ، لنگرهای خمشی خارج از صفحه قابل توجهی را در صفحه عرشه و جداره تیرچه طولی در محل اتصال تیرچه طولی به صفحه عرشه ایجاد می کند. لنگرهای خمشی خارج از صفحه تنش های خمشی موضعی بالایی به وجود می آورند. همین عامل به همراه تنش های پسماند کششی موجود در جوش طولی اتصال، تمرکز تنش بالایی را به وجود می آورد، در نتیجه اتصالات تیرچه طولی به صفحه عرشه در پنجه جوش یا ریشه جوش که نقاطی با تمرکز تنش بالاتر هستند، مستعد به پذیرش آسیب های خستگی می شوند. در این مطالعه، نقاط مستعد ترک خستگی در اتصالات تیرچه طولی به صفحه عرشه با تحلیل های المان محدود بررسی شده است. برای مطالعه تنش در اتصالات، یک عرشه ارتوتروپیک فولادی با نرم افزار المان محدود abaqus به صورت سه بعدی مدل سازی و مطابق آیین نامه پل آشتو شبیه سازی خستگی شده است. تنش در نقاط مستعد ترک خستگی در مقاطع مختلف بررسی و مستعدترین محل ترک خستگی شناسایی شده است. سپس با مدل سازی سطح مقطع مستعدترین محل ترک توسط یک ریز مدل دو بعدی، ارزیابی های خستگی به روش مکانیک شکست الاستیک خطی انجام شده است. تحلیل مکانیک شکست با در نظر گرفتن اندازه های مختلف ترک در محل مستعد خستگی انجام شده و رشد ترک با استفاده از انتگرال گیری عددی از فرمول پاریس شبیه سازی شده است. در ادامه این مطالعه، مهمترین عوامل تاثیرگذار بر روی دامنه تنش در اتصالات تیرچه طولی به صفحه عرشه بررسی شده است. همچنین، با افزایش سختی صفحه عرشه توسط سه روش مقاوم سازی صفحات فولادی پیوندی، صفحات فولادی ساندویچی و لایه بتن مسلح با عملکرد بالا، کاهش تنش در اتصالات تیرچه طولی به صفحه عرشه مطالعه شده است. بخش اول از نتایج این تحلیل ها نشان می دهد، در اتصال تیرچه طولی به صفحه عرشه، ترکی که از پنجه جوش شروع شده و به داخل ضخامت صفحه عرشه نفوذ می کند، در نزدیکترین مقطع به تیر عرضی مستعدترین محل ترک خستگی است. همچنین تا هنگامیکه عمق نفوذ ترک در داخل ضخامت صفحه عرشه کمتر از یک میلیمتر است، رشد ترک در مقابل با تعداد دوره بارگذاری آهسته است. سپس، ترک سریعا با تعداد دوره بارگذاری بسیار کمتری تا عمق نهایی خود رشد می کند. بنابراین، باید در اتصالات تیرچه طولی به صفحه عرشه ترک های کوچکتر از یک میلیمتر قبل از وارد شدن به مرحله بحرانی شناسایی شوند. همچنین نتایج مطالعات پارامتری و روش های مقاوم سازی نشان می دهد، افزایش ضخامت صفحه عرشه یا افزایش سطح توزیع بار چرخ بر روی صفحه عرشه که با افزایش ضخامت لایه روکاری همراه است، می تواند به میزان قابل توجهی سطح تنش ها را در اتصالات تیرچه طولی به صفحه عرشه کاهش دهد، در حالیکه تغییر تنها ضخامت جداره تیرچه طولی به نظر می رسد اثر کمی بر دامنه تنش یا عمر خستگی در اتصال داشته باشد. همچنین، روش های مقاوم سازی می توانند سطح تنش ها برای نقاط مستعد آسیب خستگی در صفحه عرشه را حدود 80 درصد و برای نقاط مستعد آسیب خستگی در جداره تیرچه طولی را حدود 70 درصد کاهش دهند، بنابراین عمر خستگی عرشه به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت. علاوه براین، مقایسه روش های مقاوم سازی نشان می دهد که روش لایه بتن مسلح با عملکرد بالا در میان سه روش مقاوم سازی بهترین نتایج را خواهد داد.