正交異性鋼橋面板主要受力特點及設計尺寸對其疲勞性能的影響

劉源

摘 要：基于工程實例背景通過ANSYS軟件建立模型，分析正交異性鋼橋面板主要構件的受力特點，為后文簡化模型的建立提供依據。建立簡化模型，通過改變橫隔板厚度設計尺寸，來研究設計尺寸的改變對正交異性鋼橋面板疲勞的影響。研究結果表明：縱橋向方向，橫隔板上應力主要受其前后兩個橫隔板間距范圍內的荷載影響，其余處的荷載對其影響較小；橋寬方向，荷載只影響與它左右相鄰的兩個U肋上的應力。通過改變構造設計尺寸，正交異性鋼橋面板的疲勞性能受到一定程度的影響，合理的設計尺寸對提高正交異性鋼橋面板的疲勞性能很有幫助。

關鍵詞：橫隔板；疲勞；正交異性鋼橋面板

中圖分類號：U443.32；U441.5 文獻標識碼：A 文章編號：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、承載能力強等優點，在當今國內外的橋梁建設中，正交異性鋼橋面板得到了大量的使用[1]。同時，因其較多的焊縫數量和在制作過程中不可避免的焊接殘余應力和初始缺陷，其疲勞問題也很顯著。因此，有必要對正交異性鋼橋面板進行研究，為了解其疲勞性能的影響因素提供依據。

1 正交異性鋼橋面板的主要受力特點

正交異性鋼橋面板主要由面板、縱肋和橫隔板焊接構成，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生了約束作用。當約束剛度較大時，縱肋的豎向撓曲引起的橫隔板的面內彎曲和面外變形無法實現，就會在它們的焊縫處產生很大的次內力，進而引起疲勞開裂[2]。基于這種受力機理，本節在前人研究的基礎上，基于工程實例建立有限元模型，在移動車輪荷載作用下分析正交異性剛橋面板主要的受力特點。

1.1 工程實例

針對某一雙向六車道的獨塔鋼箱梁斜拉橋的橋面建立有限元模型進行分析。該橋采用流線型扁平鋼箱梁，梁高3.5m，全長777.4m，橋寬44.6m，標準梁端長15m且設置了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

因為本文研究的對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范圍內的部分，其中縱向截取橋長方向的一個標準段即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，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，兩端固結橫橋向兩邊簡支。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，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施加一個荷載步，共計9個荷載步[3]。

1.3 分析結果

在移動車輪荷載的作用下，對正交異性鋼橋面板進行受力分析可以得到以下結果：①縱橋向方向，橫隔板上應力主要受其前后兩個橫隔板間距范圍內的荷載影響，其余處的荷載對其影響較小；②橋寬方向，荷載只影響與它左右相鄰的兩個U肋上的應力。此結論為后文簡化模型的建立提供了理論依據。

2 構造細節設計尺寸的改變對正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響

2.1 關注疲勞開裂點及疲勞分析方法的確定

通過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并沿與橫隔水平方向成45°夾角斜向上發展的裂紋，另一種起始于弧形開口自由邊沿橫隔板水平方向發展。如圖2所示，把這兩種裂紋開裂點分別命名為A和B。這與前面通過ANSYS計算得到的應力云圖中應力集中現象最突出的部位一致。因此，本文以A、B點為關注點，并以兩點處的熱點應力和應力集中系數作為疲勞性能評價指標，通過改變橫隔板厚度的尺寸，研究不同的尺寸布置對正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響。

工程中實用的疲勞分析方法主要有構件試驗法、名義應力法和熱點應力法。考慮到名義應力法在解決焊接結構構件中的準確性不足的問題，本文擬采用熱點應力法進行研究分析，并采用外推公式來求解A、B兩點的熱點應力。考慮到應力集中系數等于熱點應力與名義應力的比值，本文參照規范把1.5t處的應力定義為名義應力。

2.2 建立簡化有限元模型

為建立簡化有限元模型，首先要確定尺寸參數。通過對我國一些已建橋梁和所用的正交異性鋼橋面板的構造尺寸進行統計，橫隔板厚度在8～14mm。建模分析模型時，按改變單一尺寸其他參數保持不變的原則，取橫隔板厚度為8mm、10mm、12mm、14mm建立有限元模型，來研究橫隔板厚度的改變對正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響。以上節得出的理論為建立簡化模型奠定了基礎，簡化模型縱向取3塊橫隔板，橫向取4條縱肋，除橫隔板厚度以外，其他尺寸和參數保持不變。邊界條件取面板縱、橫向邊緣無水平位移，橫隔板在底部固結。

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以使面板產生最大應力，并將其作為最不利荷載位置的判別準則。考慮到有限元模型對稱問題，橫向荷載布置如圖3所示。計算結果顯示，當車輪荷載作用在荷載位3時，橋面板的主應力最大，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，除兩個橫隔板跨中處施加一個車輪荷載外，另從第一個橫隔板開始每隔600mm施加一個車輪荷載，共7個荷載步。計算結果顯示，當車輪荷載施加在兩個橫隔板跨中處時，橋面板主應力出現最大值，因此縱向加載位置確定在兩個橫隔板跨中處。

3 分析與結論

從表1可以看出，隨著橫隔板厚度的增大，A、B兩點的熱點應力均有所降低，降低幅度分別為21%、40%，而A點應力集中系數增大，增大幅度約為33%。因此，可以得出以下結論：通過增大橫隔板的厚度雖然可以降低關注點處的熱點應力值，但是對應力集中效應并沒有改善作用；相反，因為縱肋和橫隔板尺寸差距的變大，A點處的應力集中變得更為突出。因此，橋梁設計中選擇合理的橫隔板厚度顯得十分重要。

4 結論

橫隔板厚度的增大雖能改善縱肋與橫隔板連接處應力的大小，但對焊接起焊點位置處的應力集中現象沒有改善；相反，因為縱肋橫隔板尺寸差距的變大，起焊點處應力集中現象變得更為突出。

參考文獻：

[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力幅分析[J].工業建筑，2014（5）：128-153.

[2]曹志.正交異性鋼橋面板構造細節的疲勞性能研究[D].成都：西南交通大學，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].鋼結構，2010（7）：12-14.