正交異性鋼橋面板主要受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)尺寸對(duì)其疲勞性能的影響

劉源

摘 要：基于工程實(shí)例背景通過(guò)ANSYS軟件建立模型，分析正交異性鋼橋面板主要構(gòu)件的受力特點(diǎn)，為后文簡(jiǎn)化模型的建立提供依據(jù)。建立簡(jiǎn)化模型，通過(guò)改變橫隔板厚度設(shè)計(jì)尺寸，來(lái)研究設(shè)計(jì)尺寸的改變對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞的影響。研究結(jié)果表明：縱橋向方向，橫隔板上應(yīng)力主要受其前后兩個(gè)橫隔板間距范圍內(nèi)的荷載影響，其余處的荷載對(duì)其影響較??；橋?qū)挿较?，荷載只影響與它左右相鄰的兩個(gè)U肋上的應(yīng)力。通過(guò)改變構(gòu)造設(shè)計(jì)尺寸，正交異性鋼橋面板的疲勞性能受到一定程度的影響，合理的設(shè)計(jì)尺寸對(duì)提高正交異性鋼橋面板的疲勞性能很有幫助。

關(guān)鍵詞：橫隔板；疲勞；正交異性鋼橋面板

中圖分類號(hào)：U443.32；U441.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）04-0101-03

The Main Stress Characteristics of Orthotropic Steel Bridge Deck

and the Effect of Design Size on Its Fatigue Performance

LIU Yuan

（School of Civil Engineering， LanZhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： Based on the background of engineering example， building entity model through ANSYS software， analysis of the stress characteristics of the main members of the orthotropic steel bridge deck， provide the basis for the establishment of the later simplified model. Set up a simplified model， by changing the thickness of the diaphragm， to study the effect of design size change on the fatigue of orthotropic steel bridge deck. The results of the study showed that： Direction of longitudinal bridge， the stress on the diaphragm is mainly affected by the load within the two diaphragm， the rest of the load has little effect on it； Bridge width direction， the load only affects the stress on the two U ribs adjacent to it. By changing the design size of the structure， the fatigue performance of the orthotropic steel bridge deck is affected by varying degrees， when the design was used， the reasonable design size is helpful to improve the fatigue performance of the orthotropic steel bridge deck.

Keywords： diaphragm；fatigue；orthotropic steel bridge deck

因具有自重輕、跨越能力大、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的橋梁建設(shè)中，正交異性鋼橋面板得到了大量的使用[1]。同時(shí)，因其較多的焊縫數(shù)量和在制作過(guò)程中不可避免的焊接殘余應(yīng)力和初始缺陷，其疲勞問(wèn)題也很顯著。因此，有必要對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)行研究，為了解其疲勞性能的影響因素提供依據(jù)。

1 正交異性鋼橋面板的主要受力特點(diǎn)

正交異性鋼橋面板主要由面板、縱肋和橫隔板焊接構(gòu)成，由于縱肋和橫隔板焊接在一起，這就在橫隔板和縱肋之間產(chǎn)生了約束作用。當(dāng)約束剛度較大時(shí)，縱肋的豎向撓曲引起的橫隔板的面內(nèi)彎曲和面外變形無(wú)法實(shí)現(xiàn)，就會(huì)在它們的焊縫處產(chǎn)生很大的次內(nèi)力，進(jìn)而引起疲勞開裂[2]?；谶@種受力機(jī)理，本節(jié)在前人研究的基礎(chǔ)上，基于工程實(shí)例建立有限元模型，在移動(dòng)車輪荷載作用下分析正交異性剛橋面板主要的受力特點(diǎn)。

1.1 工程實(shí)例

針對(duì)某一雙向六車道的獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋的橋面建立有限元模型進(jìn)行分析。該橋采用流線型扁平鋼箱梁，梁高3.5m，全長(zhǎng)777.4m，橋?qū)?4.6m，標(biāo)準(zhǔn)梁端長(zhǎng)15m且設(shè)置了5道橫隔板，橫隔板間距為3m，頂板縱肋采用U型肋，縱肋上口寬300mm，下口寬170mm，高280mm，縱肋中心距600mm。其中，頂板、橫隔板、頂板U肋厚度分別為160mm、120mm、80mm。

1.2 建立有限元模型

因?yàn)楸疚难芯康膶?duì)象為正交異性鋼橋面板，因此，只截取鋼箱梁的頂板和頂板下橫隔板750mm范圍內(nèi)的部分，其中縱向截取橋長(zhǎng)方向的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段即15m，橫向截取鋼箱梁一室寬度為5.53m。利用ANSYS軟件建立模型，模型示意圖如圖1所示。建模時(shí)，單元類型選用shell181，彈性模量為E1=210GPa，泊松比采用r=0.3。邊界條件采取縱橋向方向，兩端固結(jié)橫橋向兩邊簡(jiǎn)支。荷載采用疲勞車單車輪加載，接地面積為0.6m×0.2m，不考慮沖擊系數(shù)，輪載換算成面荷載后大小為0.583MPa。車輪荷載施加在模型中心線處，每隔1.5m施加一個(gè)荷載步，共計(jì)9個(gè)荷載步[3]。

1.3 分析結(jié)果

在移動(dòng)車輪荷載的作用下，對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)行受力分析可以得到以下結(jié)果：①縱橋向方向，橫隔板上應(yīng)力主要受其前后兩個(gè)橫隔板間距范圍內(nèi)的荷載影響，其余處的荷載對(duì)其影響較??；②橋?qū)挿较颍奢d只影響與它左右相鄰的兩個(gè)U肋上的應(yīng)力。此結(jié)論為后文簡(jiǎn)化模型的建立提供了理論依據(jù)。

2 構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)尺寸的改變對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響

2.1 關(guān)注疲勞開裂點(diǎn)及疲勞分析方法的確定

通過(guò)大量觀察正交異性鋼橋面板的疲勞裂紋位置，可知縱肋和橫隔板連接處的裂紋分為兩種：一種是起始于縱肋與橫隔板焊接處的起焊點(diǎn)并沿與橫隔水平方向成45°夾角斜向上發(fā)展的裂紋，另一種起始于弧形開口自由邊沿橫隔板水平方向發(fā)展。如圖2所示，把這兩種裂紋開裂點(diǎn)分別命名為A和B。這與前面通過(guò)ANSYS計(jì)算得到的應(yīng)力云圖中應(yīng)力集中現(xiàn)象最突出的部位一致。因此，本文以A、B點(diǎn)為關(guān)注點(diǎn)，并以兩點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)作為疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)改變橫隔板厚度的尺寸，研究不同的尺寸布置對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響。

工程中實(shí)用的疲勞分析方法主要有構(gòu)件試驗(yàn)法、名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法?？紤]到名義應(yīng)力法在解決焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的準(zhǔn)確性不足的問(wèn)題，本文擬采用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行研究分析，并采用外推公式來(lái)求解A、B兩點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力。考慮到應(yīng)力集中系數(shù)等于熱點(diǎn)應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值，本文參照規(guī)范把1.5t處的應(yīng)力定義為名義應(yīng)力。

2.2 建立簡(jiǎn)化有限元模型

為建立簡(jiǎn)化有限元模型，首先要確定尺寸參數(shù)。通過(guò)對(duì)我國(guó)一些已建橋梁和所用的正交異性鋼橋面板的構(gòu)造尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，橫隔板厚度在8～14mm。建模分析模型時(shí)，按改變單一尺寸其他參數(shù)保持不變的原則，取橫隔板厚度為8mm、10mm、12mm、14mm建立有限元模型，來(lái)研究橫隔板厚度的改變對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響。以上節(jié)得出的理論為建立簡(jiǎn)化模型奠定了基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化模型縱向取3塊橫隔板，橫向取4條縱肋，除橫隔板厚度以外，其他尺寸和參數(shù)保持不變。邊界條件取面板縱、橫向邊緣無(wú)水平位移，橫隔板在底部固結(jié)。

2.3 加載方式

加載方式采用最不利加載位置加載。分別將車輪荷載沿橋面橫向和縱向移動(dòng)以使面板產(chǎn)生最大應(yīng)力，并將其作為最不利荷載位置的判別準(zhǔn)則?？紤]到有限元模型對(duì)稱問(wèn)題，橫向荷載布置如圖3所示。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)車輪荷載作用在荷載位3時(shí)，橋面板的主應(yīng)力最大，因此選取荷載位3作為橫向最不利加載位置。分析縱向加載位置時(shí)車輪荷載橫向，取荷載位3方式加載，縱向加載范圍取兩塊橫隔板間距，除兩個(gè)橫隔板跨中處施加一個(gè)車輪荷載外，另從第一個(gè)橫隔板開始每隔600mm施加一個(gè)車輪荷載，共7個(gè)荷載步。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)車輪荷載施加在兩個(gè)橫隔板跨中處時(shí)，橋面板主應(yīng)力出現(xiàn)最大值，因此縱向加載位置確定在兩個(gè)橫隔板跨中處。

3 分析與結(jié)論

從表1可以看出，隨著橫隔板厚度的增大，A、B兩點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力均有所降低，降低幅度分別為21%、40%，而A點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)增大，增大幅度約為33%。因此，可以得出以下結(jié)論：通過(guò)增大橫隔板的厚度雖然可以降低關(guān)注點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力值，但是對(duì)應(yīng)力集中效應(yīng)并沒有改善作用；相反，因?yàn)榭v肋和橫隔板尺寸差距的變大，A點(diǎn)處的應(yīng)力集中變得更為突出。因此，橋梁設(shè)計(jì)中選擇合理的橫隔板厚度顯得十分重要。

4 結(jié)論

橫隔板厚度的增大雖能改善縱肋與橫隔板連接處應(yīng)力的大小，但對(duì)焊接起焊點(diǎn)位置處的應(yīng)力集中現(xiàn)象沒有改善；相反，因?yàn)榭v肋橫隔板尺寸差距的變大，起焊點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象變得更為突出。

參考文獻(xiàn)：

[1]吉伯海，田園，傅中秋，等.正交異性鋼橋面板橫隔板切口疲勞應(yīng)力幅分析[J].工業(yè)建筑，2014（5）：128-153.

[2]曹志.正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[3]陶曉燕，劉曉光，張玉玲.正交異性鋼橋面板受力特征研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2010（7）：12-14.