正交異性鋼橋面板U肋和橫隔板連接處面內(nèi)外應力數(shù)值分析

王問筆

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 前 言

U肋和橫隔板的常用做法工藝有兩種，第一是橫隔板不開孔、U肋斷開形式，在U肋上開坡口焊接在橫隔板兩側(cè)；另一種是橫隔板開孔、U肋連續(xù)[1]。根據(jù)調(diào)研，近年國內(nèi)外實際使用的正交異性鋼橋面板，以采用橫隔板開孔、U肋連續(xù)的形式為主，該連接處形式和工藝設計能有效降低U肋和橫隔板焊縫及周邊在服役期內(nèi)的應力集中[2]。U肋和橫隔板連接處的剛度匹配是此處構(gòu)造設計的重難點，U肋和橫隔板在荷載作用下的面內(nèi)外應力值則是研究剛度匹配的依據(jù)。

1 U肋和橫隔板連接處疲勞裂紋成因分析

經(jīng)統(tǒng)計，正交異性鋼橋面板疲勞裂紋中，U肋和橫隔板連接焊縫開槽處的疲勞裂紋最多，見圖1，占總量的38.2%。

圖1 U肋和橫隔板連接處疲勞裂紋

從疲勞裂紋的成因分析，可將此處產(chǎn)生的疲勞裂紋分為主應力引起的裂紋和面外變形產(chǎn)生次應力進而引起的裂紋。通過加厚鋪裝層厚度分散車輪壓力，增強鋪裝層和面板之間的連接，可有效改善主應力引起的疲勞裂紋。研究正交異性鋼橋面板U肋、橫隔板、頂板之間的剛度配比，同時改進焊縫施作的施工工藝水準，是當前改善面外變形次應力引起的疲勞裂紋的主要研究方向。

2 U肋和橫隔板連接處面內(nèi)外應力

經(jīng)比較，本文選取美國AASHTO規(guī)范[3]所推薦的橫隔板開孔形式，結(jié)合國內(nèi)目前常用的U肋、橫隔板、頂板剛度比及開孔形狀，確定U肋、橫隔板和頂板尺寸如圖2所示，所建立的足尺實體模型如圖3所示。

圖2 本文開孔形式尺寸示意圖

圖3 足尺實體模型示意圖

為模擬單輪對橋面板受力和變形的影響，在本模型中對單輪荷載進行模擬，加載區(qū)域參照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D 60—2015)[4]中的車輛單輪荷載作用面積為300 mm×200 mm，另加上在50 mm厚度鋪裝層中按45°擴散的面積，修正車輛單輪加載面積為400 mm×300 mm。單位加載作用力為100 kN(10 t)。荷載將在模型頂板進行縱向和橫向的移動，如圖4所示。連接處U肋的三個典型考察點A、B、C和橫隔板典型考察點D的面內(nèi)外應力值如表1所示。

圖4 單輪荷載加載示意圖

表1 最不利加載工況下各考察點面內(nèi)外應力值

在最不利加載位置時，U肋各考察點的面內(nèi)外應力相當，橫隔板的應力考察點面內(nèi)應力遠大于面外應力。在此工況下，U肋泊松效應在連接處產(chǎn)生的彎曲次應力和偏載導致的U肋扭轉(zhuǎn)次應力在U肋和橫隔板連接處耦合，此時的應力值為最大，此時的U肋變形如圖5所示。

圖5 最不利工況下U肋及橫隔板連接處變形示意

由圖5可看出，U肋發(fā)生了較大的面外變形(扭轉(zhuǎn))，由于橫隔板整體剛度大，因此面外撓曲的現(xiàn)象并未顯著出現(xiàn)。同時，由于U肋發(fā)生較大扭轉(zhuǎn)，疊加U肋壁板在橫隔板焊縫處的泊松效應，明顯的結(jié)構(gòu)性應力集中現(xiàn)象在開孔處焊趾出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

1)當車輪荷載作用在U肋或橫隔板正上方時(正載)，應力考察點A、C處的應力較小，U肋與橫隔板連接處受力主要為橫隔板對U肋的支撐效應，應力以協(xié)同變形作用下，U肋和橫隔板在各自面內(nèi)產(chǎn)生的彎曲應力[5]，以及連接焊縫因為U肋壁板泊松效應，在U肋壁板面外產(chǎn)生的彎曲次應力為主，隨著荷載縱向移動，在U肋與橫隔板連接處，橫隔板產(chǎn)生偏載，由于焊縫對U肋的約束，U肋壁板產(chǎn)生相對于橫隔板面外的彎曲次應力，此時連接處應力以一次效應增長，U肋的面內(nèi)應力與面外應力增幅相近，而橫隔板面內(nèi)應力保持增長，面外應力絕對值保持較低。

2)當車輪荷載從初始位置橫向移動時，U肋逐漸開始受到偏載效應，而橫隔板則一直承受的正載效應。當U肋正上方承受車輪荷載時，U肋至在第一、第二體系下產(chǎn)生豎向位移，盡管存在泊松效應，使得此處U肋面內(nèi)外應力耦合，但此時U肋應力考察點處應力數(shù)值仍偏低；當荷載往右邊開始橫向移動，U肋同時發(fā)生豎向位移和扭轉(zhuǎn)，在連接焊縫處產(chǎn)生畸變，耦合應力隨著變形增大而逐漸增大。在荷載橫向移動過程之中，橫隔板面內(nèi)應力保持穩(wěn)定，面外應力保持低值；U肋的面內(nèi)外應力比值一直接近于1.0，表明U肋此時由于橫隔板變形引起的面外彎曲次應力不大。

3)在最不利加載位置進行單點荷載加載時，U肋壁板面內(nèi)變形的泊松效應和面外扭轉(zhuǎn)畸變所產(chǎn)生的次應力效應，在U肋與橫隔板連接焊趾處和正應力產(chǎn)生耦合，此時的應力最大，應力集中現(xiàn)象最嚴重。U肋上的考察點A,B,C面內(nèi)外應力數(shù)值差異較小，而橫隔板考察點D的面內(nèi)應力和面外應力差值較大，原因在于橫隔板自身剛度較大，面外變形較??；同時U肋考察點的應力較橫隔板上要大，和各自板厚關系較大。

經(jīng)建立精細化ANSYS數(shù)值分析模型計算可得，U肋與橫隔板連接處，橫隔板應力主要為面內(nèi)應力，這和橫隔板剛度較大，變形較小有關；U肋的面內(nèi)應力和面外應力值差異較小，U肋的面外變形方向與橫隔板面內(nèi)變形方向相同，設計時應根據(jù)此處應力和變形特征，對連接處U肋和橫隔板厚度(剛度)進行匹配計算。

4 結(jié)束語

本文通過建立精細化ANSYS實體元模型，在單輪荷載沿頂板雙向移動時，U肋關鍵觀察點A、B、C和橫隔板關鍵觀察點D壁板兩側(cè)的主拉應力值進行了理論數(shù)值分析，針對單輪何在雙向移動過程中，壁板兩側(cè)應力的變化及其分解出的面內(nèi)外應力值的變化，對引起面內(nèi)外變化的原因進行了分析，所得結(jié)果可為今后相關研究設計提供參考。

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