公軌兩用斜拉橋鋼橋面板疲勞應力幅的影響因素分析

董世承

(西南交通大學，四川成都 610031)

公軌兩用斜拉橋在近年來發(fā)展迅速，逐漸成為城市跨江、跨海斜拉橋的主要橋型之一。由于公軌兩用斜拉橋通常會承受較大的軌道活載，動力響應非常強烈[1]，所以主梁截面通常采用鋼桁梁的型式以保證橋梁的橫向和豎向剛度[2-3]。當斜拉橋的跨度較大時，采用正交異性鋼橋面板可以大幅減小橋面板的重量，而且鋼橋面板可以參與到上下弦桿的共同受力中，形成板-桁組合結(jié)構(gòu)[4-5]。鋼橋面板疲勞問題的研究是該類橋梁計算分析的一大關鍵問題，對此類問題進行對比分析十分有必要。

1 工程背景及有限元模型

1.1 工程概況

某公軌兩用鋼桁梁斜拉橋，主橋布置為(77.5+166.1+468+166.1+77.5) m，結(jié)構(gòu)采用半漂浮體系，橋梁立面圖見圖1。鋼桁梁采用帶副桁的桁架結(jié)構(gòu)，主桁架中心間距16 m，副桁架上弦桿頂板底面中心線間距37.2 m。全橋桁架為三角形桁架，桁高11.0 m，節(jié)間長15.1 m，全橋共63個節(jié)間。公路橋面系在中跨、次邊跨采用正交異形鋼橋面結(jié)構(gòu)，長781.2 m，在邊跨采用鋼混結(jié)合板結(jié)構(gòu)，長170 m。正交異形鋼橋面面板厚16 mm，其下部設置間距600 mm的U型縱肋，主桁鋼橋面板橫斷面見圖2。

圖1 橋型立面布置(單位：cm)

圖2 主桁鋼橋面板橫斷面(單位：cm)

1.2 有限元模型建立

節(jié)段模型取沿順橋向30.2 m范圍內(nèi)12個橫梁間距范圍作為分析模型。對于重點關注疲勞細節(jié)的(2.509 m×5.033 m)區(qū)域建立了精細化的網(wǎng)格劃分方式的子模型。計算模型考慮了5 cm厚的STC鋪裝參與共同受力，STC鋪裝層采用實體單元進行模擬；子模型為節(jié)段模型切割而產(chǎn)生，為了盡量減少邊界對計算的影響，關注的子模型選在節(jié)段模型居中位置。節(jié)段模型采用結(jié)構(gòu)化的四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.2，對重點關注疲勞的部分采用0.02大小的精細化網(wǎng)格，整個節(jié)段模型共計143 080個板單元，子模型共計148 095個板單元，具體如圖3、圖4所示。

圖3 有限元節(jié)段模型

圖4 有限元節(jié)段模型子模型

1.3 移動荷載模擬及疲勞細節(jié)選取

該橋鋼橋面板構(gòu)造疲勞研究參照JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》確定采用標準疲勞車輛載模型III，該車輛荷載模型每個輪重為 60 kN，車輛總重 480 kN，其車輪布置示意圖如圖5所示。疲勞細節(jié)1為橫隔板與主弦桿外側(cè)焊縫連接處下端，疲勞細節(jié)2為橫隔板與主弦桿外側(cè)焊縫連接處上端，疲勞細節(jié)3為橫隔板與橋面板焊縫連接處外側(cè)，疲勞細節(jié)4為橫隔板與主弦桿內(nèi)側(cè)焊縫連接處下端，疲勞細節(jié)5為橫隔板與主弦桿內(nèi)側(cè)焊縫連接處上端，疲勞細節(jié)6為橫隔板與橋面板焊縫連接處內(nèi)側(cè)，疲勞細節(jié)7為橫隔板與U肋焊縫連接處下端，疲勞細節(jié)8為橫隔板與U肋焊縫連接處上端，8個疲勞細節(jié)示意圖如圖6所示。

圖5 標準疲勞車輛輪軸示意圖(單位：m)

圖6 疲勞細節(jié)示意

2 鋼橋面疲勞應力幅影響因素分析

2.1 STC鋪裝的影響

僅列出疲勞細節(jié)1的輪載縱向加載歷程中主應力和剪應力圖，其余細節(jié)變化規(guī)律基本一致。從圖7～圖10可以看出：無論是否考慮STC參與橋面共同受力，其主拉應力和剪應力的縱向加載歷程圖形狀不會發(fā)生改變，變化的僅為每次加載的數(shù)值大小，且歷程圖均為雙峰，為方便比較，將兩次應力幅值等效為單次常幅應力幅，對比見圖11、圖12，具體數(shù)值見表1。從對比結(jié)果可以看出：當考慮STC參與橋面板共同受力時，各個疲勞細節(jié)應力幅值呈現(xiàn)減小趨勢，主拉應力幅最大降幅約10.5 %，發(fā)生在疲勞細節(jié)6；剪應力幅降幅最大約13 %，發(fā)生在疲勞細節(jié)3。

圖7 細節(jié)1主拉應力加載歷程(考慮STC)

圖8 細節(jié)1剪應力加載歷程(考慮STC)

圖9 細節(jié)1主拉應力加載歷程(不考慮STC)

圖10 細節(jié)1剪應力加載歷程(不考慮STC)

圖11 STC對常幅主拉應力幅的影響

2.2 橫隔板厚度的影響

將上弦桿腹板兩側(cè)的腹板厚度加大，一般位置橫隔板厚度由16 mm增大到24 mm，節(jié)點位置橫隔板厚度由20 mm增大到24 mm，拉索位置橫隔板板厚維持原來厚度，計算結(jié)果對比如圖13～圖16所示，具體數(shù)值見表2、表3。

由表2和表3可知，隨著橫隔板厚度增大，各個構(gòu)造細節(jié)應力幅值呈現(xiàn)減小趨勢。一般橫隔板厚度由16 mm增大到24 mm，疲勞細節(jié)1主拉應力幅值降幅最大，降幅達到18 %，疲勞細節(jié)7主拉應力幅降幅最小，約為7.2 %，其余構(gòu)造細節(jié)降幅均在10 %以上；剪應力幅降幅最大點為疲勞細節(jié)8，但也僅為6.5 %，表明一般位置橫隔板厚度的增大對剪應力幅的改善不明顯。節(jié)點橫隔板厚度由20 mm增大到24 mm，疲勞細節(jié)4的主拉應力幅值降幅最大，約10 %，疲勞細節(jié)3的主拉應力幅值降幅最小，約為5.5 %，其余構(gòu)造細節(jié)降幅在7 %左右；剪應力幅值在疲勞細節(jié)5處降幅最大，為3.6 %，節(jié)點橫隔板厚度的變化對剪應力幅值的減幅影響不明顯。

表1 STC對構(gòu)造細節(jié)應力幅值影響

圖12 STC對常幅剪應力幅的影響

圖13 一般位置隔板厚度變化對主拉應力的影響

圖14 一般位置隔板厚度變化對剪應力的影響

圖15 節(jié)點位置隔板厚度變化對主拉應力的影響

圖16 節(jié)點位置隔板厚度變化對剪應力的影響

表2 一般位置橫隔板厚度參數(shù)變化對應力幅影響大小

3 結(jié)論

本文以某公軌兩用斜拉橋為研究對象，分析了是否考慮5 cm的STC鋪裝參與鋼橋面板共同受力以及一般位置橫隔板厚度變化、節(jié)點位置橫隔板厚度變化對鋼橋面板8個疲勞細節(jié)主拉應力幅和剪應力幅的影響，得到了以下結(jié)論：

表3 節(jié)點位置橫隔板厚度參數(shù)變化對應力幅影響大小

(1)對當考慮STC參與橋面板共同受力時，各個疲勞細節(jié)應力幅呈現(xiàn)減小趨勢，主拉應力幅最大降幅11 %，剪應力幅最大降幅13 %，STC對鋼橋面板應力幅的改善效果較為明顯。

(2)一般橫隔板厚度增大后，主拉應力幅值降幅最大可達到18 %，剪應力幅降幅最大可達到6.5 %。節(jié)點橫隔板厚度增大后，主拉應力幅值降幅最大值為10 %，剪應力幅值降幅最大值為3.6 %。增大橫隔板厚度會使主拉應力幅值有較明顯的改善，但是對剪應力幅值的減幅影響不明顯。

(3)8個疲勞細節(jié)中，疲勞細節(jié)1的主拉應力幅值最大，設計計算中需要特別關注該疲勞細節(jié)。