鋼箱梁面板?縱隔板構(gòu)造細(xì)節(jié)輪載應(yīng)力響應(yīng)特征分析

歐陽洋 ，祝志文

(1. 湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411100；2. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

正交異性鋼橋面板因施工快捷、自重輕、承載力高以及建筑高度小等諸多優(yōu)點而在不同結(jié)構(gòu)形式、不同跨徑的橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1?3]。然而，因鋼橋面板焊接構(gòu)造和應(yīng)力狀況復(fù)雜，且直接受車輛輪載的反復(fù)作用，使得鋼橋面板的疲勞問題十分突出[4?5]。自英國Severn橋于1971年首次發(fā)現(xiàn)鋼橋面板疲勞裂紋以來，英國、日本、荷蘭、巴西等國家均出現(xiàn)了大量的鋼橋面板疲勞開裂案例，在這方面，我國的情況也不樂觀[6?10]。典型的疲勞開裂位置有面板和縱肋焊縫、面板和橫隔板焊縫、縱肋對接焊縫、縱肋和橫隔板焊縫，以及橫隔板弧形切口母材開裂等[11?12]，這些疲勞敏感構(gòu)造細(xì)節(jié)的開裂，將導(dǎo)致橋面板的剛度下降，還可能引起鋪裝層的開裂。在橋面鋪裝層的諸多開裂形式中，還有一種沿縱橋向的通長開裂，出現(xiàn)此類問題的鋼箱梁通常內(nèi)部設(shè)置了縱隔板，該裂紋通常位于縱隔板與面板連接焊縫附近，其特點是裂紋寬，縱向長度大，嚴(yán)重的影響了橋梁的使用并威脅到鋼橋的耐久性，迫切需要分析其形成的原因，并在正交異性鋼橋面板設(shè)計時采用相應(yīng)對策。本文以設(shè)置了縱隔板的某實際大跨度橋梁鋼箱梁為例，通過建立正交異性鋼橋面板模型，采用有限元法對鋼箱梁面板?縱隔板及其周邊的面板?縱肋構(gòu)造細(xì)節(jié)，就不同橫橋向輪載加載位置，在順橋向移動輪載作用下的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的計算，開展了所關(guān)心構(gòu)造細(xì)節(jié)及附近的應(yīng)力響應(yīng)特征分析，可為鋼箱梁內(nèi)縱隔板的設(shè)計提供參考。

圖1　鋼箱梁橫斷面Fig.1　Cross section of steel box girder

1　研究對象和有限元模型

1.1　工程概況

本文以某大跨度斜拉橋鋼箱梁為研究對象。該正交異性鋼橋為混合梁斜拉橋,主跨926 m，橋梁采用雙向6車道，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段鋼箱梁全寬為38 m；橫斷面如圖1所示。邊跨為PK混凝土箱梁，中跨采用PK斷面鋼箱梁，主梁梁高3.8 m，其邊箱腹板即正交異性鋼橋面板的縱隔板。大橋采用閉口肋正交異性鋼橋面板，如圖2所示。其面板厚16 mm，橫隔板厚12 mm，相鄰橫隔板的間距為3 m，縱肋尺寸為300 mm×280 mm×10 mm，與面板相連的縱隔板厚14 mm。

該鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面頂板底板、中縱腹板厚度為14 mm，斜底板厚20 mm，邊縱腹板厚30 mm。

取鋼箱梁斷面右側(cè)縱隔板所在部位為研究的構(gòu)造細(xì)節(jié)，縱隔板厚14 mm。

圖2　正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)Fig.2　Structural detail of OSBD

1.2　有限元模型的建立

為反映正交異性鋼橋面板輪載作用下的受力行為并獲得面板?縱隔板及其周圍構(gòu)造細(xì)節(jié)高精度的應(yīng)力求解，本文采用ANSYS軟件建立了正交異性鋼橋面板單元模型。該模型模擬了鋼箱梁腹板間的部分頂板，縱橋向取4個橫隔板長度，共9 m，包含兩端橫隔板及兩內(nèi)橫隔板；橫橋向取包含縱隔板及其左右兩側(cè)各2根縱肋所在區(qū)域，外邊界為外側(cè)縱肋外腹板以外的面板中線；高度取箱梁橫隔板水平加勁肋之上的橫隔板至橋面以上的部分，如圖3所示。上述模型范圍滿足正交異性鋼橋面板有限元模擬的基本要求。

建立如圖3所示的坐標(biāo)系，其中Z軸負(fù)方向為橋址正東方向(E)，在ANSYS中采用SHELL63模擬該正交異性鋼橋面板所有構(gòu)件。綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量和計算量，有限元模型采用非均勻網(wǎng)格劃分策略。僅在應(yīng)力梯度較大的位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，以保證網(wǎng)格分辨率，為方便提取構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力和保證構(gòu)造細(xì)節(jié)的計算精度，在離開應(yīng)力梯度較大的位置逐步過渡到較稀的網(wǎng)格。該模型單元總數(shù)為100 716，節(jié)點數(shù)約104 627。面板-縱隔板及縱肋的局部網(wǎng)格如圖4所示。

結(jié)合實際工程情況，采用下述邊界條件設(shè)置，對縱向兩端面橫隔板約束全部自由度；對中間兩塊橫隔板的兩側(cè)邊約束全部自由度；對橫橋向模型的兩側(cè)邊施加X方向平動自由度約束以及Z方向轉(zhuǎn)動自由度約束；對縱隔板底約束全部自由度。需要指出，上述邊界條件的設(shè)置，僅是對所模擬的正交異性鋼橋面板單位邊界的近似，但由于所關(guān)心的構(gòu)造細(xì)節(jié)位置離開邊界較遠(yuǎn)，因此上述近似邊界條件的設(shè)置對關(guān)心的構(gòu)造細(xì)節(jié)在輪載作用下的應(yīng)力和位移響應(yīng)影響應(yīng)非常小。

圖3　正交異性鋼橋面板模型Fig.3　Model of OSBD

圖4　局部模型網(wǎng)格Fig.4　Sub-model grid

1.3　標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載的施加

本文疲勞荷載的計算參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)[13]。該規(guī)范條文規(guī)定對正交異性鋼橋面板應(yīng)采用疲勞車模型Ⅲ，如圖5(a)所示。該疲勞車兩側(cè)車輪橫向中心距 1.2 m，單車軸重均為120 kN，車輪觸地面積為0.6 m(橫向)×0.2 m(縱向)，不考慮車輛沖擊系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[14]采用雙聯(lián)軸加載。不考慮橋面鋪裝對結(jié)構(gòu)剛度的影響，但考慮橋面鋪裝的荷載作用和對輪載的分散作用，根據(jù)實橋鋪裝層厚度55 mm，輪載按45°擴(kuò)散到橋面板后的接觸面積為0.71 m(橫橋向)×0.31 m(縱橋向)，如圖5(b)所示，對應(yīng)的輪壓值為272.6 kPa。

為方便研究，對圖6中將縱肋沿橫橋向自左向右依次編號，重點關(guān)注面板?縱隔板、面板?2號縱肋和面板?3號縱肋，并選取與所研究細(xì)節(jié)密切相關(guān)的5種典型橫向輪載工況，如圖6所示。

1) LC1：橫橋向輪載中心位于2號縱肋右側(cè)腹板和縱隔板中間的面板上；

2) LC2：橫橋向輪載中心位于縱隔板處的面板上；

3) LC3：橫橋向輪載中心位于縱隔板和3號縱肋左側(cè)腹板中間的面板上；

4) LC4：橫橋向輪載中心位于3號縱肋左側(cè)腹板處的面板上(騎肋式)；

5) LC5：橫橋向輪載中心位于3號縱肋正上方面板上(正肋式)。

圖5　疲勞荷載模型Ⅲ及橫橋向輪載分布Fig.5　Fatigue load model Ⅲ and wheel loads distribution in transverse direction

圖6　典型橫橋向輪載位置Fig.6　Typical wheel loading locations in transverse direction

采用縱橋向移動加載模擬輪載在橋面上的運動，輪載移動方向、縱向加載位置x和加載步如圖7所示。加載步i=1, 2, 3, …, 59分別為移動輪載縱向加載序號。輪載加載位置以 i=30為加載坐標(biāo)原點，也即輪載中心正好作用在圖4所示3號橫隔板上；而i=1為輪載中心位于2號橫隔板東側(cè)(E)0.1 m處，如圖7所示。采用均勻的輪載加載步長，以分辨和獲得更精細(xì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)，具體的荷載步與輪載位置如表1所示。

圖7　輪載縱向加載步布置Fig.7　Arrangement of wheel loading locations in bridge longitudinal direction

表1　荷載步與輪載縱向位置Table1　Load steps and longitudinal locations of wheel loads

2　計算結(jié)果與討論

2.1　應(yīng)力提取位置

本文根據(jù)所關(guān)心的構(gòu)造細(xì)節(jié)，分為A-縱隔板北側(cè)(N)面板、B-縱隔板南側(cè)面板(S)、C-縱隔板北側(cè)(N)、D-縱隔板南側(cè)(S)、E-2號縱肋南側(cè)腹板(S)、F-2號縱肋南側(cè)(S)面板、G-3號縱肋北側(cè)(N)腹板、H-3號縱肋北側(cè)(N)面板共8個構(gòu)造細(xì)節(jié)，如圖8所示。應(yīng)力提取位置縱向為2號和3號橫隔板之間的跨跨中1.5 m處，即2號和3號橫隔板正中間位置，橫向考慮縱隔板、縱肋厚度以及焊縫寬度，按照離開焊縫焊趾6 mm的位置提取應(yīng)力。

圖8　橫橋向細(xì)節(jié)應(yīng)力提取位置Fig.8　Monitored stress location in transverse direction

2.2　構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)特征分析

1) 輪載工況LC1

當(dāng)軸組中心橫橋向位于2號縱肋右側(cè)腹板和縱隔板正中間的面板上時，圖9(a)所示的面板?縱隔板連接處兩側(cè)的面板均承受壓應(yīng)力，表明頂板兩側(cè)在此連接處受到支點負(fù)彎矩的作用，其最大壓應(yīng)力均發(fā)生在軸組前輪或后輪正好位于應(yīng)力監(jiān)測位置(2號和3號橫隔板之間的跨中)的正上方，此時縱隔板北側(cè)面板的應(yīng)力峰值為30.6 MPa，南側(cè)略小，為27.9 MPa。不同的是，縱隔板南北兩側(cè)應(yīng)力明顯小于面板側(cè)，且縱隔板北側(cè)受壓，南側(cè)受拉，也即縱隔板?面板連接位置的北側(cè)面板和縱隔板承受逆時針方向彎矩，南側(cè)面板承受順時針方向彎矩。

圖9(b)為面板?縱肋構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)特征，可見縱肋?面板側(cè)構(gòu)造細(xì)節(jié)均承受拉壓應(yīng)力幅，應(yīng)力峰值同樣發(fā)生在軸組前輪或后輪正好位于應(yīng)力監(jiān)測位置(2號和3號橫隔板之間的跨中)的正上方，由于輪載偏向2號縱肋，因此最大應(yīng)力峰值出現(xiàn)在2號縱肋南側(cè)腹板上方的面板上，在該縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)處，面板側(cè)應(yīng)力顯著大于縱肋側(cè)應(yīng)力，而面板側(cè)的最大拉應(yīng)力是11.9 MPa，最大壓應(yīng)力是18.9 MPa。

圖9　軸組橫橋向LC1工況構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)Fig.9　Stress response of connection details to axle group under transverse loading case LC1

2) 輪載工況LC2

當(dāng)軸組中心橫橋向位于縱隔板正上方時，雖然縱隔板斜交于面板，但由于輪載橫橋向?qū)ΨQ布置于2號和3號縱肋和縱隔板，面板?縱隔板連接處和面板?縱肋連接處，構(gòu)造細(xì)節(jié)表現(xiàn)為對稱應(yīng)力響應(yīng)特征，如圖10(a)所示。在縱隔板?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)均受到壓應(yīng)力作用，但面板側(cè)的應(yīng)力顯著大于縱隔板側(cè)，且由于縱隔板兩側(cè)應(yīng)力一致，可見縱隔板為受壓狀態(tài)；在縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的面板側(cè)承受拉壓應(yīng)力，且應(yīng)力幅明顯大于縱肋側(cè)。

3) 輪載工況LC3

輪載工況 LC3因荷載和結(jié)構(gòu)與輪載工況 LC1相似，因此構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)大小和特征也與輪載工況LC1相似，此時縱隔板兩側(cè)的應(yīng)力由原來的受拉和受壓，變成了相反的受壓和受拉。可見，當(dāng)輪載由縱隔板一側(cè)移動到另外一側(cè)時，縱隔板?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)將產(chǎn)生一個明顯的拉壓應(yīng)力幅。在本文荷載水平下，該應(yīng)力幅大小將接近20 MPa。

圖10　軸組橫橋向LC2工況構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)Fig.10　Stress response of connection details to axle group under transverse loading case LC2

圖11　軸組橫橋向LC3工況構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)Fig.11　Stress response of connection details to axle group under transverse loading case LC3

4) 輪載工況LC4

當(dāng)輪載中心橫橋向位于3號縱肋左側(cè)腹板正上方的面板上時，縱隔板?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)面板兩側(cè)相比輪載工況LC3減小，但由于輪載相對縱隔板偏心加載作用，使得縱隔板承受逆時針彎矩作用，導(dǎo)致北側(cè)拉應(yīng)力和南側(cè)壓應(yīng)力均比輪載工況LC3增大。由于輪載遠(yuǎn)離 2號縱肋，其縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力明顯減小，但因輪載位于 3號縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的正上方，該處縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力增大，且面板側(cè)明顯大于縱肋側(cè)。

5) 輪載工況LC5

當(dāng)輪載中心橫橋向位于3號縱肋正上方的面板上時，縱隔板?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)面板兩側(cè)相比輪載工況LC4略有減小，縱隔板南側(cè)的應(yīng)力略有增大。由于輪載進(jìn)一步遠(yuǎn)離了2號縱肋，使得該處縱肋-面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力顯著減?。辉诳拷嗇d的縱肋-面板構(gòu)造細(xì)節(jié)，面板側(cè)應(yīng)力相比輪載工況LC4減小，但縱肋側(cè)應(yīng)力增大。比較圖12和圖13可見，LC5相應(yīng)構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)特征與LC4基本一致。不同的是本工況縱隔板的應(yīng)力變小，這是由于輪載作用位置偏離了縱隔板造成的。

比較圖 9～13可見，面板體系構(gòu)造細(xì)節(jié)均可分辨軸組中的單軸，本文所研究構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)主要受單軸控制。應(yīng)力的大致趨勢是，應(yīng)力曲線對稱于3號橫隔板左側(cè)0.75 m的位置，隨著輪載遠(yuǎn)離3號橫隔板左側(cè)0.2 m(i=28)和1.4 m(i=16)的位置，應(yīng)力響應(yīng)逐漸減小。當(dāng)輪載移動越過2號橫隔板和3號橫隔板右側(cè)1.5 m的位置后，其在構(gòu)造細(xì)節(jié)上產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)非常小，因而可以認(rèn)為，面板?縱隔板、面板?縱肋縱橋向的應(yīng)力影響線長度，大概等于2號橫隔板和3號橫隔板右側(cè)1.5 m間距離，本橋橫隔板間距為3 m，即影響線為4.5 m左右。

圖12　軸組橫橋向LC4工況構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)Fig.12　Stress response of connection details to axle group under transverse loading case LC4

圖13　軸組橫橋向LC5工況構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)Fig.13　Stress response of connection details to axle group under transverse loading case LC5

參照輪載對稱的工況LC1和工況LC3，以及其基本相同的構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力響應(yīng)，可以預(yù)見，當(dāng)輪載作用在2號縱肋正上方、以及其南側(cè)腹板的正上方時，在縱隔板的南北兩側(cè)，將產(chǎn)生分別產(chǎn)生與輪載工況LC5和輪載工況LC4相同的應(yīng)力響應(yīng)。因此，當(dāng)橋面輪載從縱隔板一側(cè)移動到另外一側(cè)，如前車輪跡線在縱隔板一側(cè)，而后車輪載在縱隔板另外一側(cè)，或貨車變道，或貨車蛇行，均將導(dǎo)致縱隔板?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的縱隔板側(cè)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力幅。

3　結(jié)論

1) 縱肋?面板和縱隔板?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)均可分辨軸組中的單軸，應(yīng)力峰值均發(fā)生在順橋向兩聯(lián)軸的其中一個輪軸作用應(yīng)力監(jiān)測位置的正上方，每個輪軸產(chǎn)生一個應(yīng)力幅，因此在疲勞荷載模型三規(guī)定的車輛通行下，將在每個構(gòu)造細(xì)節(jié)產(chǎn)生 4個應(yīng)力循環(huán)。

2) 當(dāng)橫橋向輪載中心位于縱隔板正上方時，縱肋?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)將在面板側(cè)將產(chǎn)生比其他橫橋向輪載工況的更大的應(yīng)力響應(yīng)和應(yīng)力幅。

3) 當(dāng)橋面輪載從縱隔板一側(cè)移動到另外一側(cè)，如前車輪跡線在縱隔板一側(cè)，而后車輪載在縱隔板另外一側(cè)，或貨車變道，或貨車蛇行，均將導(dǎo)致縱隔板?面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的縱肋側(cè)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力幅。