高速鐵路跨度132 m鋼桁梁正交異性板橋面系橫肋開孔處應力分析

方桂芬

(鐵道第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

?

高速鐵路跨度132 m鋼桁梁正交異性板橋面系橫肋開孔處應力分析

方桂芬

(鐵道第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

為了保證正交異性板的整體性，縱梁、縱肋通常連續通過橫梁、橫肋，橫梁(肋)在相交處需相應開孔。橫梁(肋)開孔處由于承受面內及面外的應力，使得該部分的應力非常復雜，是橋面系的薄弱環節，合理的構造處理及開孔形式能夠改善該部分的應力集中，優化橋面設計，延長橋面系使用壽命。通過對橋面系板單元有限元分析，總結出該部分受力特點及影響因素，并對開孔方式的影響進行了定性分析。

鐵路橋；鋼桁梁橋；橋面系；縱梁；縱肋；橫梁；橫肋；應力；開孔方式

1 概述

圖1 某橋橋面系裂縫病害

正交異性板鋼橋面系，橫梁(肋)與縱梁(肋)相交處，由于同時承受了橫梁(肋)面內及縱梁(肋)傳遞來的面外應力，使得該部分受力復雜，成為橋面系薄弱環節，容易產生疲勞裂縫[1-2](圖1)。中外學者對開孔的方式均進行過相應的研究，實際工程中應綜合考慮現場施工焊接工藝及工程造價等各方面因素，選擇合理的開孔方式。各國規范對該部分的構造設置也進行了規定，其中歐洲規范對公路、鐵路鋼橋作出明確規定，當縱肋采用U形加勁肋時，鐵路鋼橋面系采用“蘋果形”開孔方式，公路鋼橋面系采用“平底形”開孔方式，但歐洲規范對T形加勁肋沒有作出相關規定，見圖2。日本《鋼橋設計指南》對U肋開孔處規定為“平底”形，但開孔大小與歐洲規范有所不同。日本規范也無T形加勁肋的相關規定，但是對板形加勁肋作出規定。見圖3。

圖2 歐洲規范對橫肋開口處規定

我國規范對正交異性板鋼梁構造要求還暫無規定。在已建成的鐵路橋中，U肋加勁肋“蘋果”形及“平底”形開孔方式均有采用。南京大勝關長江大橋、安慶長江鐵路大橋采用“蘋果”形開孔，新廣州站跨環城高速特大橋東平水道主橋采用“平底”形開孔方式[3-6]。T形加勁肋采用較多的有兩種開孔方式：對稱型開孔及非對稱型開孔，如圖4所示。對稱型開孔，T肋腹板與橫梁(肋)焊接相連，翼緣板底面與橫梁(肋)焊接相連，翼緣板其他部分不與橫梁相連；非對稱型開孔，T肋腹板一側與橫梁(肋)焊接相連，一側開孔，翼緣板與橫梁(肋)底板不相連。

2 開孔處應力特點

現以西成客運專線132 m簡支鋼桁梁為工程依托，對正交異性鋼橋面板橫梁、橫肋開孔處應力進行分析研究，分析該部位應力特點，并對影響因素進行總結。

西成客運專線跨西寶客運專線特大橋132 m簡支鋼桁梁為跨越西寶客運專線及福銀高速而設，鋼桁梁全長134 m，桁高20 m，主桁中心距13.9 m，節間長度11 m，主桁結構形式如圖5所示。橋面系采用多橫梁正交異性板結構形式，縱梁采用U肋及在軌道下方設置“倒T形”小縱梁。橫向布置如圖6所示。

圖5 主橋立面布置(單位：mm)

圖6 橫斷面布置(單位：mm)

U肋與主桁連接處，由于橋面在橋梁橫向的豎向彎曲，導致U 肋的扭轉，從而導致U肋外側(靠近主桁側)橫梁腹板受拉，內側(靠近跨中側)受壓[7-11]。橫梁外側U肋開孔處腹板主拉應力最大；內側U肋的扭轉變形較小，主拉應力及主壓應力均較小，U肋兩側的受力也較均勻，且越靠近跨中，應力均勻性越好[12]。如圖7、圖8所示。

圖7 跨中處U肋處橫梁主拉應力(單位：MPa)

圖8 靠近主桁側U肋處橫梁主拉應力(單位：MPa)

3 影響開孔處應力的因素

現對橫肋腹板、橫肋根數、U肋板厚及開孔方式對相交處應力的影響進行分析。

3.1 橫肋腹板厚度對U肋開孔處應力的影響

增加橫肋腹板厚度，能有效降低開孔處主拉應力，如圖9所示。

圖9 橫肋腹板厚度對開孔處主拉應力影響

3.2 橫肋根數對橫肋腹板開孔處應力的影響

橫肋根數由1根變到4根時，橫梁U肋開孔處及橫梁與主桁連接處主拉應力如圖10所示。從圖中可以看出，隨著橫肋根數的增加，橫梁U肋開孔處主拉應力明顯減小，但對于橫梁與主桁連接處，影響甚小。

3.3 U肋板厚對橫肋腹板開孔處應力的影響

增加U肋板厚，能有效降低U肋與橫梁(橫肋)處主拉應力，但是橫梁與主桁連接處主拉應力卻有所增加，從數值來看，應力增加幅度較小，U肋板厚增加8 mm時，應力增加不到1%，可忽略不計。橫梁開孔處以及橫肋與主桁連接處應力如圖11、圖12所示。

圖10 橫肋根數對主拉應力影響

圖11 U肋板厚對橫梁開孔處主拉應力影響

圖12 U肋板厚對橫梁與主桁連接處處主拉應力影響

3.4 開孔方式對開孔處應力影響

為了分析不同的縱肋及U肋開孔方式對橫梁主拉應力的影響，現建立4個節間(節間長11 m)空間板單元模型。沿橫橋向，左側U肋設“蘋果”形開孔方式，“T”肋設置為雙側對稱型開孔；右側U肋設“平底”形開孔方式，“T”肋設置成雙側非對稱型開孔。如圖13、圖14所示。

圖13 開孔方式布置

圖14 開孔方式詳圖(單位：mm)

3.4.1 U肋開孔處

U肋，計算結果顯示，“平底”形開孔主拉應力出現在靠近主桁的拐角處，最大主拉應力為357.2 MPa，“蘋果”形開孔方式主拉應力也出現在靠近主桁的拐角處，但極值并未出現在開孔邊緣，而是與開孔邊緣相鄰的單元，最大主拉應力為286.6 MPa。在U肋與橫肋連接的上緣處，“平底”形開孔方式主拉應力為77.5 MPa，“蘋果”形開孔方式主拉應力為68.4 MPa。如圖15、圖16所示。

圖15 “蘋果”形開孔處橫梁主拉應力(單位：MPa)

圖16 “平底”形開孔處橫梁主拉應力(單位：MPa)

3.4.2 “T”肋開孔處

對于對稱型“T”肋開孔方式，“T”肋與橫肋相交處，橫肋沿“T”肋兩側應力較為均勻，最大主應力出現在“T”肋下翼緣板，靠近跨中側，最大主拉應力為99 MPa，“T”肋上緣與橫梁相交處，最大主應力為105 MPa；非對稱開孔方式，沿“T”肋腹板中心，兩側橫肋應力均勻性較差，靠近跨中側，主拉應力偏大，腹板開孔側主拉應力偏小，主拉應力最值出現在“T”肋下翼緣，靠近主桁側，284 MPa；上緣主拉應力出現在過焊孔下緣，188 MPa。如圖17、圖18所示。

圖17 T肋對稱開孔方式應力(單位：MPa)

從“T”肋開孔處橫梁應力特點可以看出，“T”肋腹板與橫梁兩側均焊接，有利于阻止“T”肋的扭轉變形，從而減小橫肋相應處的主拉應力。

圖18 T肋不對稱開孔方式應力(單位：MPa)

4 結論

綜上所述，開孔處內側受壓，外側受拉，靠近跨中側受力趨于均勻，靠近主桁側應力突變較為明顯。改變橫肋腹板厚度、橫肋根數及U肋板厚，對開孔處主拉應力影響較大；對于T肋，對稱型開孔方式，橫梁開孔處應力較為均勻，主拉應力較小；對于鐵路橋梁正交異性板U肋，采用“蘋果”形開孔方式，能有效降低開孔處主拉應力。在正交異性鋼橋面板設計過程中，應合理選擇開孔方式，規避應力集中，優化橋面設計，延長橋面系使用壽命。基于上述分析，西成客運專線132 m簡支鋼桁梁，在橫梁(橫肋)與縱向U肋相交處采用“蘋果”形開孔方式，與T肋相交處采用對稱型開孔方式。

[1] 羅如登，葉梅新.高速鐵路鋼桁梁橋正交異性整體鋼橋面板有效寬度的計算原則[J].鋼結構，2009，24(5)：39-40.

[2] 美國各州公路和運輸工作者協會(AASHTO).美國公路橋梁設計規范[S].辛濟平，萬國朝，張文，等，譯.北京：人民交通出版社，1994:458-459.

[3] 肖海珠，劉承虞.南京大勝關長江大橋鐵路鋼橋面設計與研究[J].橋梁建設，2009(4)：9-12.

[4] 肖海珠，徐偉，高宗余.安慶鐵路長江大橋設計[J].橋梁建設，2009(5):6-8.

[5] 張文華.東平水道特大橋(85+286+85) m雙拱肋鋼桁拱設計[J].鐵道標準設計，2015，59(12):40-44.

[6] 肖海珠，易倫雄.南京大勝關長江大橋主橋上部結構設計[J].橋梁建設，2010(1)：1-4.

[7] (日)小西一郎. 鋼橋·第二分冊[M].北京：人民鐵道出版社，1980:198-199.

[8] 王應良，李小珍，強士中.梯形加勁肋正交異性板鋼橋面分析的等效格子梁法[J].西南交通大學學報，1999，34(5)：545-549.

[9] 吳沖.現代鋼橋(上冊)[M].北京：人民交通出版社，2006:97-115.

[10]林國雄.正交異性板與桁梁結合式橋梁第一反應系統應力及有效寬度計算[J].橋梁建設，1978(4)：51-64.

[11]葉梅新，張揚.桁梁正交異性整體鋼橋面結構受力分析[J].鐵道標準設計，2008(2):37-39.

[12]高立強，施洲，韓冰.設置縱肋小隔板對正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響研究[J].鐵道標準設計，2013，57(3)：66-69.

[13]卜一之，王一瑩，崔闖.新型正交異性鋼橋面板關鍵部位疲勞性能研究[J].世界橋梁，2015(5)：20-23.

[14]張上，李鳳芹.石濟客運專線濟南黃河橋正交異性鋼橋面板設計研究[J].鐵道標準設計，2014，58(5):55-59.

[15]童樂為，沈祖炎.正交異性鋼橋面板疲勞驗算[J].土木工程學報，2000，33(3)：16-21.

Stress Analysis of Cross Rib near the Hole of Orthotropic Steel Deck System with 132 m Span Steel Truss Beam on High Speed Railway

FANG Gui-fen

(Bridge & Tunnel Design Department，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

In order to ensure the integrity of the orthotropic steel deck system， longitudinal beam and longitudinal rib usually cross transverse beams and ribs continuously， and transverse beams or ribs need to cut holes at the cross point. Stress near the transverse beams or ribs is very complex due to the stress in and out of the plane， where the weak link exists in the deck system. The reasonable structure treatment and hole shape can improve the stress concentration of this area so as to optimize the design of the bridge deck and prolong the service life of the bridge deck system. The finite element analysis shows the characteristics and influencing factors of the joint place and quantifies the influence of the hole shape．

Railway bridge; Steel truss bridge; Deck system; Longitudinal beam; Longitudinal rib; Transverse beam; Transverse rib; Stress; Hope shape

2016-04-11；

2016-04-25

方桂芬(1979—)，女，高級工程師，碩士研究生，E-mail：94786987@qq.com。

1004-2954(2016)11-0062-04

U238； U443.35

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.015