鋼箱梁正交異性板橋面局部應(yīng)力影響因素分析

段 政,吳臻旺

(成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610023)

鋼箱梁正交異性板橋面局部應(yīng)力影響因素分析

段 政,吳臻旺

(成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610023)

在調(diào)查鋼箱梁正交異性板橋面結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上,確定計(jì)算結(jié)構(gòu)。板件厚度選取頂板、縱肋、底板和橫隔板,結(jié)構(gòu)尺寸選取主梁高度和橫隔板間距作為計(jì)算參數(shù),選擇固定的受力點(diǎn)和荷載位置,在單一參數(shù)變化的情況下,對(duì)局部應(yīng)力進(jìn)行參數(shù)分析,研究各板件厚度和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)各局部應(yīng)力的影響。

板件厚度；結(jié)構(gòu)尺寸；鋼箱梁正交異性板橋面；局部應(yīng)力

0 引言

從目前建設(shè)的橋梁來(lái)看,鋼箱梁正交異性板橋面各項(xiàng)板件厚度和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)正在不斷優(yōu)化之中。選擇若干參數(shù),在單一參數(shù)變化的情況下,研究鋼箱梁正交異性板橋面各項(xiàng)局部應(yīng)力的變化,分析參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響,對(duì)設(shè)計(jì)鋼箱梁正交異性板橋面結(jié)構(gòu)和掌握其受力特性有一定的參考意義。

1 計(jì)算結(jié)構(gòu)

鋼箱梁正交異性板橋面已普遍用于大跨懸索橋、斜拉橋和自錨懸索橋,我國(guó)業(yè)已建成或在建的部分此類橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。早期建成的鋼箱梁正交異性板橋面頂部厚度大多為12 mm和14 mm,后來(lái)逐漸增加至16 mm或更厚?？v肋均使用U型肋,上口寬、底寬、高度和板厚大都使用300×170×280×8(mm)規(guī)格,后來(lái)建設(shè)的蘇通大橋和港珠澳青洲航道橋適當(dāng)增加了底寬、肋高或板厚,以增加縱肋豎向抗彎剛度。主梁高度大致有3 m、3.2 m、3.5 m和4 m等4種。橫隔板間距從3 m至4 m不等。

參考已經(jīng)建造和設(shè)計(jì)的鋼箱梁正交異性板橋面尺寸,選擇計(jì)算結(jié)構(gòu)為梁高3.5 m,錨點(diǎn)橫向間距34.8 m,縱向間距15 m,橫隔板間距3 m,頂板厚14 mm,底板厚12 mm,橫隔板厚10 mm,縱肋用300×170×280×8(mm)U形肋,間隔600 mm,計(jì)算結(jié)構(gòu)和頂板體系尺寸分別如圖1和圖2所示。

鋼箱梁正交異性板橋面有限元計(jì)算時(shí),均采用板單元,單元形狀以正方形和矩形為主。重點(diǎn)研究區(qū)域單元尺寸為25 mm×25 mm,非重點(diǎn)研究區(qū)域?yàn)?50 mm×250 mm,結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的有限單元數(shù)量為36.7萬(wàn)。采用公路I級(jí)車輛荷載［1］,按照車輪位置采用面荷載加載,考慮75 mm鋪裝層對(duì)車輪荷載的擴(kuò)散效應(yīng),重軸車輪加載面積350 mm× 750 mm,不計(jì)沖擊效應(yīng)。研究［2］表明鋼箱梁正交異性板橋面產(chǎn)生最不利局部應(yīng)力的部位及其對(duì)應(yīng)的荷載位置如表2所示。

2 板件厚度參數(shù)影響

2.1 頂板厚度

頂板厚度直接影響著橋面板構(gòu)件的受力,對(duì)典型結(jié)構(gòu)僅改變頂板厚度,研究局部應(yīng)力變化。頂板厚度最小取10 mm,以2 mm遞增至20 mm,各種板厚對(duì)應(yīng)的局部應(yīng)力如圖3所示。

由圖3可知,改變頂板厚度對(duì)頂板橫向應(yīng)力影響最大,對(duì)頂板縱向應(yīng)力影響次之,對(duì)縱肋縱向應(yīng)力影響最小,且板厚越小變化趨勢(shì)越明顯。當(dāng)頂板厚度由14 mm減至10 mm時(shí),頂板橫向拉應(yīng)力由57.0 MPa增加至112.2 MPa,壓應(yīng)力由69.6 MPa增加至110.0 MPa,分別增加96.8%和58.0%；對(duì)應(yīng)的縱向拉、壓應(yīng)力分別增加80.0%和83.2%；而縱肋縱向拉、壓應(yīng)力均增加1.4 MPa,變化很小。當(dāng)頂板厚度由14 mm增至20 mm時(shí),頂板橫向拉、壓應(yīng)力分別減小53.5%和38.5%；對(duì)應(yīng)的縱向拉、壓應(yīng)力分別減小40.3%和41.1%；而縱肋縱向拉、壓應(yīng)力僅減小7%左右。頂板厚度對(duì)頂板橫向和縱向應(yīng)力影響較大。

2.2 縱肋板厚

縱肋板厚直接影響著橋面系豎向抗彎慣性矩,對(duì)結(jié)構(gòu)局部剛度有著重要貢獻(xiàn),此處僅研究頂板縱肋對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。縱肋板厚多用6 mm或8 mm,在此嘗試把縱肋用至10 mm,以研究縱肋板厚對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力的影響。三種縱肋板厚對(duì)應(yīng)的局部應(yīng)力詳見(jiàn)表3,表中還列出了6 mm和10 mm板厚的計(jì)算應(yīng)力和8 mm板厚的對(duì)應(yīng)比值。

表1 我國(guó)業(yè)已建成或在建的鋼箱梁正交異性板橋面橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸(單位:m)

圖2 頂板體系尺寸(單位:mm)

表2 鋼箱梁正交異性板橋面產(chǎn)生最不利局部應(yīng)力的部位及其對(duì)應(yīng)的荷載位置

圖3 頂板厚度對(duì)局部應(yīng)力的影響曲線

表3 縱肋板厚對(duì)局部應(yīng)力的影響(單位:MPa)

由表3中數(shù)據(jù)可知,改變縱肋板厚,對(duì)縱肋縱向應(yīng)力影響最為明顯,當(dāng)縱肋板厚由8 mm減至6 mm時(shí),縱肋縱向拉、壓應(yīng)力均增加32%左右；若把縱肋板厚增加至10 mm,其縱向拉、壓應(yīng)力可減小約20%。把縱肋板厚減至6 mm和增至10 mm,可使得頂板橫向壓應(yīng)力分別增加和減小約10%。而改變縱肋板厚對(duì)頂板橫向拉應(yīng)力和縱向拉、壓應(yīng)力影響都不超過(guò)5%?？v肋板厚對(duì)縱肋縱向應(yīng)力和頂板橫向壓應(yīng)力影響明顯。

2.3 底板厚度

底板厚度直接影響著鋼箱梁結(jié)構(gòu)的縱向和橫向抗彎剛度,對(duì)第一體系受力有著重要影響。現(xiàn)把典型結(jié)構(gòu)12 mm厚底板更換為8 mm、10 mm、14 mm,分別計(jì)算結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果及其與典型結(jié)構(gòu)的比值詳見(jiàn)表4。

表4 底板厚度對(duì)局部應(yīng)力的影響(單位:MPa)

由表4中數(shù)據(jù)可知,把典型結(jié)構(gòu)的底板厚度由12 mm減至8 mm和增至14 mm,對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響都不超過(guò)1%。底板厚度對(duì)橋面板結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響不大。

2.4 橫隔板厚度

橫隔板是正交異性板鋼箱梁整體性能的有力保證,對(duì)其抗扭慣性矩和橫向抗彎剛度有著重要貢獻(xiàn)。典型結(jié)構(gòu)中橫隔板厚度為12 mm,現(xiàn)把其更換為8 mm、10 mm、14 mm,分別計(jì)算結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果及其與典型結(jié)構(gòu)的比值詳見(jiàn)表5。

表5 橫隔板厚度對(duì)局部應(yīng)力的影響(單位:MPa)

由表5中數(shù)據(jù)可知,改變橫隔板厚度,對(duì)頂板橫向、縱向應(yīng)力和縱肋縱向應(yīng)力影響都不明顯。當(dāng)12 mm厚的橫隔板減至8 mm和增至14 mm時(shí),局部應(yīng)力改變比例都不超過(guò)典型結(jié)構(gòu)的5%。橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響不大。

3 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)影響

3.1 主梁高度

主梁的高度直接影響著鋼箱梁的橫向和縱向抗彎慣性矩,對(duì)第一體系受力有著重大影響。現(xiàn)把主梁高度由3.5 m降低到3.0 m,計(jì)算局部應(yīng)力及其與典型結(jié)構(gòu)的比較,詳見(jiàn)表6。

表6 主梁高度對(duì)局部應(yīng)力的影響

改變主梁高度,對(duì)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)局部應(yīng)力均有不同程度的影響。其中,由于頂板橫向壓應(yīng)力位于錨點(diǎn)橫隔板截面上,受影響最明顯,當(dāng)主梁高度由典型結(jié)構(gòu)的3.5 m降低至3.0 m時(shí),頂板橫向壓應(yīng)力增加3.7%,這主要是主梁高度降低使其橫向抗彎慣性矩降低的緣故。降低主梁高度同時(shí)還使得其縱向抗彎慣性矩降低,這會(huì)引起頂板縱肋縱向拉應(yīng)力減?。坏瑫r(shí)主梁的豎向剛度也受到削弱,吊索節(jié)間跨中位置豎向撓度增加,又會(huì)使得頂板縱肋縱向拉應(yīng)力增加,二者綜合作用使得頂板縱肋縱向拉應(yīng)力稍有1.3%的增加。主梁高度對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響不大。表6為主梁高度對(duì)局部應(yīng)力的影響。

3.2 橫隔板間距

橫隔板間距對(duì)橋面系的局部,特別是橫隔板節(jié)間中部的豎向剛度有著重要影響。同時(shí),橫隔板間距也是決定吊索縱向間距的兩個(gè)因素之一,對(duì)結(jié)構(gòu)第一體系受力有著重要影響?，F(xiàn)根據(jù)已經(jīng)建成的鋼箱梁橫隔板間距,把典型結(jié)構(gòu)中的3.0 m,減小至2.5 m和增加至3.5 m、4.0 m,分別計(jì)算結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果及其與典型結(jié)構(gòu)的比值詳見(jiàn)表7。

由表7中數(shù)據(jù)可知,改變橫隔板間距對(duì)縱肋縱向應(yīng)力影響最為明顯。和典型結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力相比,當(dāng)橫隔板間距由3.0 m減小到2.5 m時(shí),縱肋縱向拉、壓應(yīng)力分別減小16.5%和13.9%；當(dāng)增加至3.5 m時(shí),縱肋縱向拉、壓應(yīng)力分別增加15.4%和10.2%；當(dāng)增加至4.0 m時(shí),縱肋縱向拉、壓應(yīng)力分別增加28.3%和15.4%?？v肋縱向拉應(yīng)力取值位置為橫隔板節(jié)間中部,對(duì)應(yīng)荷載為車輛荷載第4軸相應(yīng)位置,故而受橫隔板間距影響較明顯；當(dāng)車輪荷載第4和第5軸對(duì)稱布置在吊索橫隔板縱向兩側(cè)位置時(shí),縱肋縱向受最大壓應(yīng)力,故而受橫隔板間距影響次之。當(dāng)橫隔板間距減至2.5 m和增至4.0 m時(shí),對(duì)頂板橫向和縱向應(yīng)力的影響都不超過(guò)5%。橫隔板間距對(duì)縱肋縱向應(yīng)力有較大影響。

表7 橫隔板間距對(duì)局部應(yīng)力的影響

4 結(jié)論

改變頂板厚度、縱肋厚度、底板厚度、橫隔板厚度、主梁高度和橫隔板間距單一參數(shù),通過(guò)對(duì)鋼箱梁正交異性板橋面局部應(yīng)力的對(duì)比計(jì)算分析,得到如下有益結(jié)論：

(1)頂板厚度對(duì)頂板橫向和縱向應(yīng)力影響較大；

(2)縱肋板厚對(duì)縱肋縱向應(yīng)力和頂板橫向壓應(yīng)力影響明顯；

(3)底板厚度對(duì)橋面板結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響不大；

(4)橫隔板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響不大；

(5)主梁高度對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響不大；

(6)橫隔板間距對(duì)縱肋縱向應(yīng)力有較大影響。

底板厚度和主梁高度對(duì)主梁繞橫軸的豎向抗彎慣性矩影響較大,但二者對(duì)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力影響不明顯,說(shuō)明在鋼橋面板局部應(yīng)力中,由第一體系產(chǎn)生的應(yīng)力所占比例較小。因此,大多針對(duì)正交異性鋼橋面板(缺少底板不形成封閉箱型結(jié)構(gòu))的實(shí)驗(yàn)成果可直接用于鋼箱梁結(jié)構(gòu),在使用鋼箱梁較早較多的歐洲［3］和美國(guó)［4］,其規(guī)范也多是針對(duì)正交異性鋼橋面板的內(nèi)容。

［1］ JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［2］ 吳臻旺. 公路懸索橋鋼箱梁正交異性板橋面局部應(yīng)力影響面與包絡(luò)面和簡(jiǎn)化計(jì)算研究［D］. 成都：西南交通大學(xué),2013.

［3］ EN 1993-2:2006. Eurocode 3-Design of steel structures -Part 2: Steel bridges［S］. European Committee for Standardization (CEN)，2006.

［4］ AASHTO LRFD Bridge Design Specifications(SI Units， Seventh Edition)［S］， American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO)， 2014.

U441+.5

A

1009-7716(2015)09-0194-04

2015-05-17

段政(1965-),男,四川渠縣人,高級(jí)工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。