正交異性鋼橋面第二體系受力影響分析

鄧 果

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

正交異性鋼橋面板不同于混凝土橋面板，其橋面鋼板的剛度相對較低，且有清晰的傳力跨徑：橋面鋼板-縱肋-橫隔板-腹板。因此，鋼箱梁也就存在了三個受力體系[1]：

第一體系：鋼橋面板和縱向加勁肋作為主梁的上翼緣與主梁一同構(gòu)成主要承重構(gòu)件，也就是主梁體系。

第二體系：由縱肋、橫肋和橋面板組成的橋面系結(jié)構(gòu)，其中橋面板被看作縱肋和橫肋共同的上翼緣，作用在橋面的荷載通過本體系傳遞到橫梁與主梁上，也就是橋面體系。

第三體系：僅指橋面板，它被視為支承在縱肋和橫肋上的各向同性的連續(xù)板，也就是蓋板體系。

對第一體系的計算，我們一般的梁單元即可以模擬；而對于第三體系，由于橋面板處于薄膜應(yīng)力狀態(tài)，且有很大的超額承載力，因此除疲勞驗算外，設(shè)計中往往可以忽略第三體系的應(yīng)力[1]。

鋼橋面控制應(yīng)力為第一、二受力體系的疊加，而第二體系的應(yīng)力往往是計算的難點(diǎn)，目前常用的計算方法有PE法、等效格子梁法、三維有限元分析法[2]。三維有限元計算分析和建模效率越來越高，計算結(jié)果較準(zhǔn)確，因此使用的越來越多。本文以通用有限元程序ANSYS為工具，計算分析了影響第二體系應(yīng)力的主要控制因素，可為正交異性鋼橋面板的設(shè)計提供參考。

1 計算模型

本文計算鋼箱梁為上跨某高速公路車行天橋，橋面寬5.5 m，橫斷面見圖1。

圖1 鋼箱梁橫斷面（單位：cm）

箱梁高1.3 m，懸壁長1.5 m，采用間距30 cm板肋。縱橋向間隔設(shè)置橫隔板和橫向加勁肋，間距1.25 m。

橫隔板間距對第二體系應(yīng)力的影響已有相關(guān)討論[3]，本文擬分別討論鋪裝厚度a、頂板厚度b及加勁肋厚度c對第二體系應(yīng)力的影響，見圖2。

圖2 橋面鋪裝形式示意圖

取兩個節(jié)段，采用ANSYS程序中的板單元SHELL63建立箱梁結(jié)構(gòu)，見圖3、圖4。

圖3 ANSYS幾何模型

圖4 ANSYS箱室內(nèi)部板單元模型

采用瀝青鋪裝，假設(shè)鋪裝層是連續(xù)、彈性、均勻、各向同性的，鋼板層與鋪裝層之間接觸是連續(xù)的，不發(fā)生滑移。經(jīng)過實(shí)驗證明，此假設(shè)與實(shí)際相符[4]。其密度取2 400 kg/m3，彈模取1 000 MPa。

節(jié)段模型共54 564個單元，54 964個節(jié)點(diǎn)。鋪裝采用solid65單元進(jìn)行模擬，實(shí)體單元與橋面板單元通過共用節(jié)點(diǎn)來模擬相互耦合，

邊界條件為約束腹板豎向位移。

車輛荷載后輪每個輪重70 kN，作用于隔板板間橋面鋪裝上，由JTG D64-2015 8.2.2條可知，作用面積為0.6 m×0.2 m，其中橋面板計算時沖擊系數(shù)取0.4，則面荷載的集度為0.817 MPa，見圖5。

2 計算結(jié)果分析

2.1 鋪裝厚度的影響

取鋼箱梁頂板厚b=14 mm，加勁肋厚c=16 mm，針對瀝青鋪裝厚度a，分別取60 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm共5組值，分別計算第二體系鋼橋面頂板縱向壓應(yīng)力值，計算結(jié)果見表1和圖6。

從計算結(jié)果中可以看出，鋪裝厚度對第二體系的影響非常明顯，隨鋪裝厚度的增加，第二體系應(yīng)力顯著遞減。同時，我們也可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力減少的速度是逐漸降低，證明鋪裝厚度的影響效率逐漸降低。

表1 不同鋪裝厚度第二體系壓應(yīng)力表

圖6 不同鋪裝厚度第二體系壓應(yīng)力圖

增加鋪裝厚度，是減少第二體系應(yīng)力的一種方法，但過多的增加鋪裝厚度對于大跨度的鋼箱梁結(jié)構(gòu)，將會顯著的增加第一體系的應(yīng)力，因此，增加鋪裝厚度的方法更適用于中小跨度橋梁。另外，采用剪力釘及混凝土結(jié)構(gòu)的剛性橋面鋪裝，由于鋪裝彈模的增大，對第二體系應(yīng)力的減小將會更多[5]。

2.2 頂板厚度的影響

取鋪裝厚度a=100 mm，加勁肋厚度c=16 mm，針對頂板厚度b，分別取12 mm、14 mm、16 mm、18mm、20 mm共5組值，分別計算第二體系鋼橋面頂板縱向壓應(yīng)力值，計算結(jié)果見表2和圖7。

表2 不同頂板厚度第二體系壓應(yīng)力表

圖7 不同頂板厚度第二體系壓應(yīng)力圖

從圖表中可以看出，隨頂板厚度的增加，第二體系應(yīng)力減小，但減小的應(yīng)力有限，鋼板厚度從12 mm增加到20 mm，應(yīng)力僅減小了0.43 MPa，基本可以忽略。通過增加頂板厚度可顯著減小第一體系應(yīng)力，但使用此法減小第二體系的應(yīng)力是不經(jīng)濟(jì)也沒有必要的。因此，在我們選取頂板厚度時，應(yīng)考慮對第一體系、疲勞等控制因素的影響，而不應(yīng)考慮對第二體系應(yīng)力的影響。

2.3 加勁肋厚度的影響

取鋪裝厚度a=100 mm，頂板厚度b=14 mm，針對加勁肋厚度c，分別取12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm共5組值，分別計算第二體系鋼橋面頂板縱向壓應(yīng)力值，計算結(jié)果見表3和圖8。

表2 不同加勁肋厚度第二體系壓應(yīng)力表

圖8 不同頂板厚度第二體系壓應(yīng)力圖

同頂板厚度一樣，隨加勁肋厚度的增加，第二體系應(yīng)力減小，但同樣減小的應(yīng)力有限，鋼板厚度從12 mm增加到20 mm，應(yīng)力僅減小了0.18 MPa，比頂板厚度的影響更小，可以忽略。通過增加加勁肋剛度來減小第二體系應(yīng)力是不可行的。加勁肋厚度的影響應(yīng)考慮采用剛性加勁肋[6]的需要，及構(gòu)造的要求，對第二體系應(yīng)力的影響，可不予以考慮。

3 結(jié) 語

通過以上對鋪裝厚度、鋼頂板厚度、加勁肋厚度對第二體系應(yīng)力影響的討論，可以得到以下結(jié)論：

（1）橋面鋪裝厚度對鋼板面板第二體系應(yīng)力影響顯著，在中小跨徑橋梁中，可適當(dāng)增加鋪裝厚度，以減小第二體系應(yīng)力。

（2）鋼頂板厚度、加勁肋厚度對鋼橋面板的第二體系應(yīng)力影響很小，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)第一體系、疲勞、剛性加勁肋等的需求進(jìn)行厚度的選取，而不需考慮第二體系的需要。