新型大縱肋正交異性鋼—RPC輕型組合橋面板構(gòu)造研究

張 曉 東

(中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng)　550001)

0　引言

正交異性鋼橋面板正式研究出來(lái)后，憑借著輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工便捷的優(yōu)勢(shì)，得到了快速的發(fā)展，尤其在大跨度鋼橋領(lǐng)域。但是，經(jīng)歷了一定時(shí)期的發(fā)展，缺點(diǎn)也逐漸的暴露出來(lái)，其兩類典型問(wèn)題[1]：

1)瀝青混凝土鋪裝層損壞；2)疲勞開(kāi)裂。逐漸暴露的缺點(diǎn)，降低了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性以及安全性，使其發(fā)展變緩[2]。

阻礙正交異性剛橋面板發(fā)展的最大問(wèn)題就是疲勞問(wèn)題，而輕型組合橋面板提出的基本出發(fā)點(diǎn)便是要消除這一問(wèn)題。通過(guò)采用RPC這一超高強(qiáng)材料，可以有效的提高局部剛度來(lái)降低局部區(qū)域的應(yīng)力幅值。

1　有限元模型的建立

1.1　研究對(duì)象

本文對(duì)新型大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板的構(gòu)造參數(shù)敏感性分析，主要參數(shù)有橫隔板間距、橫隔板厚度、鋼頂板厚度等。

結(jié)合正交異性組合橋面板最易出現(xiàn)疲勞裂紋的兩類構(gòu)造細(xì)節(jié)[14,15]：

1)面板與U肋連接構(gòu)造；2)橫肋與U肋連接構(gòu)造細(xì)節(jié)；3)較為關(guān)注的橫撐位置。將上述三類構(gòu)造作為抗疲勞設(shè)計(jì)的主要關(guān)注控制指標(biāo)。

1.2　有限元模型的建立

現(xiàn)建立全橋整體仿真計(jì)算有限元模型，對(duì)橋面板抗疲勞設(shè)計(jì)進(jìn)行初步計(jì)算，截面尺寸及車道立面布置圖如圖1所示，全橋節(jié)段模型如圖2所示。約束方式為兩端固結(jié)。RPC結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元模擬，正交組合鋼箱梁采用4節(jié)點(diǎn)Shell63單元，RPC與鋼橋面板頂板間采用共用節(jié)點(diǎn)方式模擬兩者間邊界條件。在縱隔板的支撐處采用Beam4梁?jiǎn)卧ＤＰ凸?66 320個(gè)單元、496 616個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3　最不利加載位置的確定

考慮目前重車較多，因此在計(jì)算時(shí)將車輛橫向分布調(diào)整為a=±0.5 m左右，如圖3所示。

1.3.1橫隔板與U肋連接構(gòu)造

每個(gè)車道進(jìn)行加載后，將橫隔板與U肋連接構(gòu)造在各橫向及縱向工況作用下的主拉應(yīng)力對(duì)比結(jié)果繪制，如圖4所示。

由圖4可知，中間右起第12個(gè)橫隔板與U肋連接焊縫的地方出現(xiàn)最大主拉應(yīng)力，數(shù)值為45.3 MPa。

1.3.2頂板與U肋連接構(gòu)造

將頂板與U肋連接構(gòu)造在各橫向及縱向工況作用下的主拉應(yīng)力對(duì)比結(jié)果繪制，如圖5所示。

由圖5可知，右起第10個(gè)U肋與頂板連接焊縫處頂板最大主拉應(yīng)力，數(shù)值為87.2 MPa。

1.3.3橫撐連接構(gòu)造

將橫撐連接構(gòu)造在各橫向及縱向工況作用下的主拉應(yīng)力對(duì)比結(jié)果繪制，如圖6所示。

由圖6可知，左起第3個(gè)橫撐左支下端連接焊縫處橫撐連接細(xì)節(jié)出現(xiàn)最大主拉應(yīng)力，數(shù)值為29.7 MPa。

2　構(gòu)造參數(shù)敏感性分析

確定了橫向加載的最不利位置。以確定的橫向最不利加載位置為基礎(chǔ)，在橋的縱向進(jìn)行加載。以疲勞車縱向應(yīng)力歷程做對(duì)比，對(duì)橫隔板間距、頂板厚度和橫梁厚度等構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

2.1　橫隔板間距

不同橫隔板間距對(duì)于結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響比較大，所以對(duì)于橫隔板間距，選取三個(gè)間距進(jìn)行對(duì)比，即2 500 mm,2 750 mm,3 000 mm。

由圖7及表1對(duì)比結(jié)果可知，當(dāng)橫隔板間距從3 000 mm變至2 750 mm時(shí)，各易損部位最大主應(yīng)力降低了13%～30%左右。特別對(duì)于頂板與U肋連接構(gòu)造處應(yīng)力減低顯著(約32%)。由此顯示，減少橫隔板間距能有效改善橋面板及整體結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

2.2　橫隔板厚度

橫隔板的厚度也對(duì)其效果的發(fā)揮有一定的影響。本小節(jié)橫梁厚度選取14 mm,16 mm,18 mm,20 mm,22 mm。

表2　不同橫隔板厚度在各關(guān)注目標(biāo)的最大主應(yīng)力

橫梁厚度14 mm16 mm18 mm22 mm橫隔板與U肋連接61.49 MPa56.01 MPa50.44 MPa49.64 MPa頂板與U肋連接75.59 MPa74.32 MPa73.31 MPa73.01 MPa橫撐連接33.08 MPa32.79 MPa32.51 MPa31.71 MPa

由圖8及表2對(duì)比結(jié)果可以看出，橫隔板厚度從14 mm增加至22 mm時(shí)，對(duì)于頂板與U肋連接細(xì)節(jié)，橫隔板厚度的改變對(duì)其疲勞性能基本無(wú)影響，主要原因在于橫隔板對(duì)于該細(xì)節(jié)主要提供彈性支撐，兩相鄰橫隔板變形基本一致，橫隔板厚度改變時(shí)其與U肋的相對(duì)變形基本保持不變；對(duì)于橫隔板與U肋連接部位，最大主應(yīng)力降低19%，橫隔板厚度增加會(huì)使其疲勞性能略有增強(qiáng)。

3　結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)橫隔板間距，各關(guān)注目標(biāo)細(xì)節(jié)均以橫梁間距為2 500 mm或2 750 mm較優(yōu)，表明從理論上，減少橫梁間距能有效改善橋頂板及整體結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

2)隔板厚度從14 mm增加至22 mm時(shí)，各目標(biāo)細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力的提高不顯著；對(duì)于頂板與U肋連接細(xì)節(jié)，橫隔板厚度的改變對(duì)其疲勞性能基本無(wú)影響，主要原因在于橫隔板對(duì)于該細(xì)節(jié)主要提供彈性支撐，兩相鄰橫隔板變形基本一致，橫隔板厚度改變時(shí)其與U肋的相對(duì)變形基本保持不變；對(duì)于橫隔板與U肋連接部位，橫隔板厚度增加會(huì)使其疲勞性能略有增強(qiáng)。

3)當(dāng)鋼頂板厚度由14 mm增至22 mm時(shí)，各目標(biāo)細(xì)節(jié)最大主應(yīng)力均有降低，特別是頂板與U肋連接構(gòu)造處，但是對(duì)橫撐連接構(gòu)造的影響不明顯。

4)通過(guò)本文的分析，我們可以看出，正交異性組合橋面板的合理結(jié)構(gòu)型式可以有效降低其應(yīng)力水平，改善結(jié)構(gòu)的疲勞性能。建議該組合結(jié)構(gòu)參數(shù)，橫隔板間距2 500 mm～2 750 mm，橫隔板厚度18 mm～22 mm，鋼頂板厚度18 mm～22 mm。