鋼箱梁橋面板第三體系下參數(shù)化分析

袁霖宇（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司）

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鋼箱梁橋面板第三體系下參數(shù)化分析

袁霖宇
（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司）

【摘要】本文以某鋼箱梁的正交異性板第三結(jié)構(gòu)體系為研究對(duì)象，采用Midas-FEA建立有限元模型。以U肋間距、U肋厚度及頂板厚度為變量參數(shù)，對(duì)比分析不同參數(shù)下的結(jié)構(gòu)受力行為。研究表明：在U肋間距不變情況下，增加橋面板厚度、U肋厚度能降低橋面板在第三體系下的撓曲變形。在橋面板厚度與U肋厚度不變情況下，當(dāng)U肋壁間距與U肋開(kāi)口寬度一致時(shí)，橋面板撓曲變形最小。對(duì)于城-A車輛的輪載，當(dāng)U肋開(kāi)口為300mm時(shí)，U肋間距宜采用600mm。

【關(guān)鍵字】鋼箱梁正交異性板第三體系；FEA

1　概述

隨著我國(guó)近幾年的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，鋼箱梁橋得到大量的應(yīng)用。由于鋼橋面板其獨(dú)特的受力特性，其耐久性受到不同程度的考驗(yàn)。當(dāng)車輪作用于正交異性橋面板時(shí)，橋面板在承受車輛荷載的反復(fù)作用后，因面外變形而出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象，同時(shí)橋面板過(guò)大的局部變形易使得橋面板上的瀝青混凝土鋪裝層開(kāi)裂。

為了提高鋼橋面系壽命，避免鋼橋面板和鋪裝層裂縫的產(chǎn)生，文章針對(duì)城市某鋼箱梁橋，根據(jù)規(guī)范中有關(guān)正交異性板鋼橋面的構(gòu)造規(guī)定，結(jié)合正交異性板在第三體系中的受力行為，對(duì)鋼橋面板進(jìn)行參數(shù)化分析。

2　有限元模型建立

為了研究橋面在縱肋間的豎向位移及橫向應(yīng)力狀態(tài)，取U肋和橋面板建立第三體系計(jì)算模型，長(zhǎng)度為2m，寬度隨U間距變化而變化，U數(shù)量為6個(gè)，U肋開(kāi)口寬度為300mm，約束U肋腹板與U肋底板交接線上所有點(diǎn)的三向位移。第三體系局部模型三維圖如圖1所示。

圖1　第三體系局部模型

在Midas-FEA板單元精細(xì)模型中，采用的城-A級(jí)車輛荷載，并考慮鋪裝層擴(kuò)散角，荷載沖擊系數(shù)取為0.4。車輛荷載技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3　變量參數(shù)設(shè)置及荷載布置

表2參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)例調(diào)查所得出，各國(guó)規(guī)范中對(duì)于U肋厚度最低要求皆為6mm，城市鋼箱梁橋面板厚度普遍采用16～24mm的規(guī)格。

表1　車輪技術(shù)指標(biāo)

表2　設(shè)計(jì)變量

車輪與U肋的相對(duì)位置，直接影響橫向受力的大小，故設(shè)置四中橫向荷載布置形式：①荷載關(guān)于U肋壁間距的中點(diǎn)對(duì)稱布置；②荷載關(guān)于U肋開(kāi)口中點(diǎn)對(duì)稱布置；③荷載單向布置，以布滿第一個(gè)U肋開(kāi)口開(kāi)始；④荷載單向布置，以布滿第一個(gè)U肋壁間距開(kāi)始。布置形式見(jiàn)圖2。

4　結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算分析四種荷載形式在不同參數(shù)下的有限元模型的結(jié)果，可以得知，在U肋厚度與橋面板厚度不變的情況下，當(dāng)U肋間距為500mm時(shí)，位移最大值發(fā)生于荷載布置形式1下；當(dāng)U肋間距為600mm時(shí)，位移最大值發(fā)生于荷載布置形式4下；當(dāng)U肋間距為700mm時(shí)，位移最大值發(fā)生于荷載布置形式4下。將三種U肋間距下的最大撓度值見(jiàn)表3。

由表3可以看出，在U肋間距為700mm，橋面板厚度小于18mm時(shí)，其豎向撓度值均大于0.4mm，不滿足縱肋間面板的相對(duì)撓度應(yīng)≤0.4mm的規(guī)范要求。

由于車輪荷載通過(guò)鋪裝層擴(kuò)散過(guò)后，其尺寸為0.74m×0.39m，可見(jiàn)車輪寬度大于U開(kāi)口寬度的兩倍，因此U肋間距的大小、U肋與車輪的相對(duì)位置對(duì)橋面板的受力結(jié)果產(chǎn)生最為顯著的影響。因此針對(duì)中國(guó)規(guī)范的車輛荷載，對(duì)于開(kāi)口寬度為300mm的U肋，其間距為600mm最為適宜。

在U肋厚度與橋面板厚度不變的情況，當(dāng)U肋間距為500mm時(shí)，橫向應(yīng)力最大值發(fā)生于荷載布置形式2下；當(dāng)U肋間距為600mm時(shí)，位移最大值發(fā)生于荷載布置形式4下；當(dāng)U肋間距為700mm時(shí)，位移最大值發(fā)生于荷載布置形式4下。將三種U肋間距下的最大橫向應(yīng)力見(jiàn)表4。

由表4可以得出，橫向應(yīng)力均小于規(guī)范允許的容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。由于模型支承形式約束了U肋加勁整體的豎向變形，U厚度的變化對(duì)于計(jì)算模型的影響不大。U肋間距對(duì)橫向應(yīng)力的影響最大，間距每增大100mm，應(yīng)力增大30MPa。在U肋間距不變的情況下，隨著橋面板厚度的增加，橋面板橫向應(yīng)力減小，其減小幅度也隨之減小。

圖2　車輪與在橋面板的布置位置

表3　三種U肋間距下的最大撓度情況（單位：mm）

表4　三種U肋間距下的最大橫向應(yīng)力情況　（單位：MPa）

5　結(jié)論

本文以某鋼箱梁的正交異性板第三結(jié)構(gòu)體系為研究對(duì)象，采用Midas-FEA建立有限元模型。以U肋間距、U肋厚度及頂板厚度為變量參數(shù)，對(duì)比分析不同參數(shù)下的結(jié)構(gòu)受力行為。研究表明：在U肋間距不變情況下，增加橋面板厚度、U肋厚度能降低橋面板在第三體系下的撓曲變形。在橋面板厚度與U肋厚度不變的情況下，當(dāng)U肋壁間距與U肋開(kāi)口寬度一致時(shí)，橋面板撓曲變形最小。對(duì)于城-A車輛的輪載，當(dāng)U肋開(kāi)口為300mm時(shí)，U肋間距宜采用600mm。●

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