設(shè)置縱肋小隔板對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響研究

高立強(qiáng),施 洲,韓 冰

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

設(shè)置縱肋小隔板對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響研究

高立強(qiáng),施 洲,韓 冰

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

在正交異性鋼橋面板中,橫梁腹板與縱肋連接部位會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而產(chǎn)生相互作用,包括橫梁腹板的彎剪作用、橫梁腹板對(duì)縱肋的面內(nèi)支撐作用,這2種作用屬于面內(nèi)作用,另外還有不對(duì)稱加載作用、相對(duì)縱向位移作用,這2種作用屬于面外作用。通過(guò)對(duì)4種作用下設(shè)置縱肋小隔板和不設(shè)置縱肋小隔板的正交異性板結(jié)構(gòu)各考察點(diǎn)主拉應(yīng)力對(duì)比研究得到如下結(jié)論:(1)在面內(nèi)作用下,設(shè)置縱肋小隔板可以提高橫梁腹板與縱肋連接焊縫端部縱肋腹板的疲勞性能,但卻增加了橫梁腹板發(fā)生疲勞開(kāi)裂的可能性;(2)在面外作用下,設(shè)置縱肋小隔板對(duì)正交異性板橫梁腹板與縱肋連接焊縫端部的疲勞性能影響不大。

正交異性鋼橋面板;縱肋小隔板;疲勞;應(yīng)力分析

1 概述

正交異性鋼橋面板因?yàn)橹T多優(yōu)點(diǎn)[1]而被很多大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁所采用。就國(guó)內(nèi)而言,早期多用于公路橋梁,如廣東虎門(mén)公路懸索橋和江蘇江陰公路長(zhǎng)江大橋等;本世紀(jì)初,我國(guó)高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展,正交異性鋼橋面板由于橋面整體性好、沖擊小、噪聲小及行車舒適性好等優(yōu)點(diǎn)而被用來(lái)取代傳統(tǒng)的鐵路縱橫梁體系明橋面,如京滬高鐵南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋和濟(jì)南黃河大橋即采用該類型橋面。

正交異性板構(gòu)造復(fù)雜,焊縫很多,疲勞開(kāi)裂問(wèn)題歷來(lái)備受重視,國(guó)內(nèi)外都有關(guān)于正交異性板疲勞開(kāi)裂的報(bào)道[1-12]。縱肋與橫梁的連接部位是其中一個(gè)重要的連接構(gòu)造,與此構(gòu)造相關(guān)的疲勞開(kāi)裂形式很多,早期的縱肋與橫梁的連接構(gòu)造是縱肋在橫梁處斷開(kāi),然后通過(guò)角焊縫與橫梁腹板相連,這種構(gòu)造后來(lái)被證明疲勞性能很差,現(xiàn)在已不采用[1],目前該構(gòu)造都是采用的連續(xù)縱肋穿過(guò)橫梁腹板,為了便于校正安裝誤差和減小焊接殘余應(yīng)力,以及當(dāng)橫梁抗扭剛度較大時(shí)減小面外作用產(chǎn)生的次應(yīng)力,一般要在縱肋下方的橫梁腹板上開(kāi)孔。

縱肋和橫梁腹板連接焊縫端部是采用新型連接方式的正交異性板主要的疲勞敏感部位,縱肋和橫梁腹板連接焊縫端部附近的應(yīng)力產(chǎn)生原因異常復(fù)雜,歸納起來(lái)有4點(diǎn),分別為橫梁的彎剪作用、橫梁對(duì)縱肋的面內(nèi)支撐作用、不對(duì)稱加載作用和縱肋與橫梁的相對(duì)縱向位移。為改善該構(gòu)造的疲勞性能,美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO)[13]中提出在縱肋與橫梁腹板連接處縱肋內(nèi)部設(shè)置小隔板,本文從縱肋和橫梁腹板連接焊縫端部附近的應(yīng)力產(chǎn)生的原因入手,考察在各種作用條件下設(shè)置小隔板對(duì)應(yīng)力的影響情況,以此來(lái)考察小隔板在改善疲勞性能方面的作用效果及作用機(jī)理。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元模型

圖1給出了縱肋不設(shè)置小隔板和設(shè)置小隔板時(shí)的橫截面圖,小隔板上緣距頂板下表面20 mm,小隔板下緣距橫梁腹板開(kāi)孔頂部也為20 mm,2種結(jié)構(gòu)的其他設(shè)計(jì)參數(shù)均相同。

圖1 縱肋不設(shè)置與設(shè)置小隔板橫截面(單位:mm)

圖2 給出了各應(yīng)力考察點(diǎn)的位置,2種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力考察點(diǎn)的位置相同,均為縱肋右側(cè)縱肋與橫梁腹板連接焊縫端部,1、2、3點(diǎn)為縱肋和橫梁連接焊縫端部縱肋一側(cè)的點(diǎn),1、2點(diǎn)位于橫梁腹板左右側(cè)距離焊根30 mm處,3點(diǎn)位于橫梁腹板位置距離焊根20 mm處; 4點(diǎn)為縱肋與橫梁連接焊縫端部橫梁腹板一側(cè)的點(diǎn),該點(diǎn)距離焊根25 mm,距離開(kāi)孔邊緣15 mm。考慮到疲勞開(kāi)裂多是由拉應(yīng)力造成的,各考察點(diǎn)均考察主拉應(yīng)力。

圖2 應(yīng)力考察點(diǎn)位置示意(無(wú)小隔板)(單位:mm)

計(jì)算模型及加載方式選取的原則是體現(xiàn)考察的主要作用,盡量排除其他作用的影響。

考察橫梁彎剪作用時(shí),采用具有5根縱肋的正交異性板結(jié)構(gòu),橫梁兩側(cè)各取250 mm,橫梁高800 mm,長(zhǎng)3 000 mm,如圖3所示,采用閉口梯形縱肋,頂寬300 mm,底寬170 mm,縱肋板厚10 mm,頂板、橫梁腹板板厚均為16 mm。對(duì)橫梁兩端進(jìn)行簡(jiǎn)支約束,在中間縱肋腹板之間的頂板施加均布面力,大小為1 200 kN/m2,以不設(shè)置小隔板的結(jié)構(gòu)為例給出有限元模型如圖4所示,鋼板采用殼單元來(lái)模擬,單元尺寸10 mm。

圖3 彎剪作用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加載圖(無(wú)小隔板)(單位:mm)

圖4 考察彎剪作用結(jié)構(gòu)FEM圖(無(wú)小隔板)

考察支撐作用、不對(duì)稱加載和相對(duì)縱向位移的計(jì)算模型相同,只是邊界條件與加載方式不同。結(jié)構(gòu)由1根縱肋、橫梁及頂板構(gòu)成,各板件厚度與考察彎剪作用結(jié)構(gòu)相同,結(jié)構(gòu)縱向500 mm,橫梁兩側(cè)各250 mm,長(zhǎng)度600 mm,如圖5所示。考察不同的作用時(shí),邊界條件和加載方式有所不同,考察支撐作用時(shí),在橫梁底部固結(jié),在縱肋腹板之間頂板沿橫梁對(duì)稱施加均布面力;考察不對(duì)稱加載作用時(shí),在橫梁兩個(gè)端部固結(jié),在縱肋腹板之間橫梁一側(cè)頂板施加均布面力;考察縱肋和橫梁的相對(duì)縱向位移時(shí),在橫梁兩個(gè)端部固結(jié),在縱肋下緣及頂板中間施加水平縱向力。以不設(shè)置小隔板的結(jié)構(gòu)給出有限元模型如圖6所示,鋼板采用殼單元來(lái)模擬,單元尺寸10 mm。

3 各種作用下考察點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比研究

彎剪作用和橫梁腹板對(duì)縱肋的支撐作用屬于面內(nèi)作用,不對(duì)稱加載及相對(duì)縱向位移屬于面外作用,通過(guò)有限元計(jì)算,分別考察2種結(jié)構(gòu)形式各種作用下的各考察點(diǎn)主拉應(yīng)力情況。

圖5 支撐作用、不對(duì)稱加載及相對(duì)縱向位移結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加載圖(無(wú)小隔板)(單位:mm)

圖6 考察支撐作用、不對(duì)稱加載及相對(duì)縱向位移結(jié)構(gòu)FEM圖(無(wú)小隔板)

3.1 彎剪作用

橫梁受彎剪作用時(shí),由于縱肋和橫梁腹板通過(guò)雙面角焊縫焊接在一起,縱肋腹板與橫梁連接焊縫端部會(huì)由于兩者的相互作用而出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)不設(shè)置小隔板時(shí),橫梁腹板在縱肋處斷開(kāi),橫梁腹板中的剪力和軸力將通過(guò)縱肋傳遞,由此會(huì)導(dǎo)致縱肋和橫梁腹板之間的相互作用,其變形形狀如圖7(a)所示;當(dāng)在縱肋中設(shè)置小隔板時(shí),橫梁腹板得以連續(xù),上面提到的相互作用仍然存在,但縱肋和橫梁腹板之間的相對(duì)變形量減小,其變形形狀如圖7(b)所示。

圖7 彎剪作用下2種結(jié)構(gòu)形式變形情況對(duì)比

具體來(lái)說(shuō),由于縱肋與橫梁的連接部位一般位于中性軸的上面,如圖1所示,本例中橫梁中性軸位于距離縱肋底緣43.7 mm,受彎會(huì)使得縱肋腹板與橫梁腹板之間相互擠壓,越靠近橫梁中間橫梁彎矩越大,擠壓作用就越強(qiáng),就本例而言,縱肋Ⅱ的擠壓作用大于縱肋Ⅰ。受剪會(huì)使得縱肋有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),這種變形使得縱肋兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一側(cè)受拉、另一側(cè)受壓的現(xiàn)象,由于剪切變形的累積越靠近橫梁端部剪切作用產(chǎn)生的應(yīng)力就越大,就本例而言,剪切作用對(duì)縱肋Ⅰ的影響大于縱肋Ⅱ。各部位的應(yīng)力都是受彎、受剪共同作用的結(jié)果。

表1給出了2種結(jié)構(gòu)形式各考察點(diǎn)的主拉應(yīng)力數(shù)值。

表1 彎剪作用下考察點(diǎn)主拉應(yīng)力對(duì)比___MPa

可以看出對(duì)于2種結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō),縱肋Ⅰ各點(diǎn)的主拉應(yīng)力均大于縱肋Ⅱ,無(wú)小隔板時(shí)縱肋Ⅰ的1、2、3、4點(diǎn)的應(yīng)力分別為26.82、27.05、30.65、6.68 MPa,縱肋Ⅱ的1、2、3、4點(diǎn)的應(yīng)力分別為10.49、10.59、11.72、3.63 MPa,有小隔板時(shí)縱肋Ⅰ的1、2、3、4點(diǎn)的應(yīng)力分別為8.26、5.26、9.96、38.42 MPa,縱肋Ⅱ的1、2、3、4點(diǎn)的應(yīng)力分別為4.50、4.50、8.59、24.52 MPa,這也證明了前面的定性分析結(jié)論,與縱肋Ⅱ相比,縱肋Ⅰ處的橫梁剪力較大,彎矩較小,橫梁腹板對(duì)縱肋的拉的作用較大,而壓的作用較小。

設(shè)置小隔板后,縱肋腹板應(yīng)力顯著減小,縱肋Ⅰ的1、2、3點(diǎn)應(yīng)力由26.82、27.05、30.65 MPa減小為8.26、5.26、9.96 MPa,縱肋Ⅱ的1、2、3點(diǎn)應(yīng)力由10.49、10.59、11.72 MPa減小為4.50、4.50、8.59 MPa;而橫梁腹板的應(yīng)力則顯著增大,縱肋Ⅰ的4點(diǎn)應(yīng)力由6.68 MPa增大為38.42 MPa,縱肋Ⅱ的4點(diǎn)應(yīng)力由3.36 MPa增大為24.52 MPa。這是由于設(shè)置小隔板后,橫梁腹板在縱肋處得以連續(xù),橫梁腹板和縱肋之間的相互作用很大程度上變成了橫梁腹板與小隔板之間的相互作用,縱肋腹板的變形減小,而橫梁腹板的支撐剛度增大,由縱肋腹板支撐轉(zhuǎn)變成了縱肋腹板和小隔板共同支撐,所以縱肋腹板的應(yīng)力減小,而橫隔板的應(yīng)力增大。

可見(jiàn)設(shè)置小隔板對(duì)于彎剪作用下縱肋腹板的疲勞性能改善是有利的,卻增加了橫梁腹板開(kāi)裂的可能性。

3.2 面內(nèi)支撐作用

面內(nèi)支撐作用是指輪壓剛好位于縱肋頂部時(shí),橫梁腹板會(huì)對(duì)縱肋產(chǎn)生支撐作用,由于縱肋底部開(kāi)孔的存在,導(dǎo)致縱肋腹板與橫梁腹板之間產(chǎn)生相互擠壓、豎向的相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì),其變形形狀如圖8所示,其中相互錯(cuò)動(dòng)會(huì)在連接焊縫端部產(chǎn)生拉應(yīng)力,縱肋腹板是面外的彎曲應(yīng)力,橫梁腹板是面內(nèi)的薄膜應(yīng)力。

圖8 支撐作用下2種結(jié)構(gòu)形式變形情況對(duì)比

表2給出了面內(nèi)支撐作用下2種結(jié)構(gòu)形式各考察點(diǎn)的主拉應(yīng)力情況。

表2 支撐作用下考察點(diǎn)主拉應(yīng)力對(duì)比 MPa

從表2可以看出,與彎剪作用時(shí)類似,設(shè)置小隔板后縱肋腹板應(yīng)力顯著減小,1、2、3點(diǎn)主拉應(yīng)力由35.77、34.85、42.18 MPa減小為18.21、18.32、27.05 MPa,;而橫梁腹板的應(yīng)力則顯著增大,4點(diǎn)應(yīng)力由6.70 MPa增大為29.28 MPa。與彎剪作用同為面內(nèi)作用,產(chǎn)生的原因也較為類似,設(shè)置小隔板后,橫梁腹板與縱肋之間的連接轉(zhuǎn)換為橫梁腹板與縱肋和小隔板之間的連接,使得原來(lái)由縱肋腹板分擔(dān)的荷載很大一部分由小隔板分擔(dān),縱肋腹板應(yīng)力減小,橫隔板所受的支撐剛度增大,其應(yīng)力也顯著增大。

可見(jiàn)與彎剪作用類似,設(shè)置小隔板對(duì)于面內(nèi)支撐作用下縱肋腹板的疲勞性能改善是有利的,但增加了橫梁腹板開(kāi)裂的可能性。

3.3 不對(duì)稱加載

不對(duì)稱加載作用是指荷載作用在橫梁一側(cè)時(shí),可能出現(xiàn)縱肋與橫梁腹板相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象,這種轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)在縱肋與橫梁腹板連接焊縫端部產(chǎn)生應(yīng)力集中。與前面提到的2種作用不同,對(duì)于橫梁腹板來(lái)說(shuō),不對(duì)稱加載會(huì)使得橫梁腹板產(chǎn)生很大的面外變形,其變形形狀如圖9所示。

表3給出了不對(duì)稱加載作用下2種結(jié)構(gòu)形式的各考察點(diǎn)的主拉應(yīng)力情況。

表3 不對(duì)稱加載作用下考察點(diǎn)主拉應(yīng)力對(duì)比_MPa

圖9 不對(duì)稱加載作用下2種結(jié)構(gòu)形式變形情況對(duì)比

由表3可以看出,與面內(nèi)作用不同,不對(duì)稱加載屬于面外作用,設(shè)置小隔板對(duì)橫梁腹板與縱肋連接焊縫端部的應(yīng)力影響不大,設(shè)置小隔板后縱肋腹板的應(yīng)力稍有減小,1、2、3點(diǎn)的應(yīng)力分別由71.78、67.19、51.09 MPa變?yōu)?7.25、62.89、53.14 MPa;橫梁腹板的應(yīng)力稍有增大,4點(diǎn)的應(yīng)力由139.76 MPa變?yōu)?47.03 MPa。這種應(yīng)力的變化也是由于小隔板減小了縱肋腹板的變形、增加了橫梁腹板的支撐剛度導(dǎo)致的,這里的支撐剛度主要指轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向,但相對(duì)于對(duì)面內(nèi)作用的影響,小隔板對(duì)面外作用的影響很小。

3.4 相對(duì)縱向位移

在桁架橋中采用正交異性板時(shí),可能由于橋面與弦桿的共同作用而使得縱肋和橫梁腹板之間發(fā)生相對(duì)縱向位移,由于切孔的存在,還會(huì)與不對(duì)稱加載一樣伴隨著相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),在縱肋與橫梁腹板連接焊縫端部就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,這也是一種面外效應(yīng),其變形形狀如圖10所示。

圖10 相對(duì)縱向位移作用下2種結(jié)構(gòu)形式變形情況對(duì)比

表4給出了相對(duì)縱向位移作用下2種結(jié)構(gòu)形式的各考察點(diǎn)的主拉應(yīng)力情況。

表4 相對(duì)縱向位移下考察點(diǎn)主拉應(yīng)力對(duì)比_MPa

由表4可以看出,與不對(duì)稱加載時(shí)的情況一樣,設(shè)置小隔板后縱肋腹板的應(yīng)力稍有減小,1、2、3點(diǎn)的應(yīng)力分別由20.08、16.81、13.96 MPa變?yōu)?9.07、15.28、10.94 MPa;橫梁腹板的應(yīng)力稍有增大,4點(diǎn)的應(yīng)力由43.23 MPa變?yōu)?4.38 MPa。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因與不對(duì)稱加載時(shí)也是一樣的,因此相對(duì)縱向位移作用下,小隔板對(duì)橫梁腹板與縱肋連接焊縫端部附近的應(yīng)力影響很小。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)各種作用下設(shè)置縱肋小隔板和不設(shè)置縱肋小隔板的正交異性板結(jié)構(gòu)各考察點(diǎn)主拉應(yīng)力對(duì)比研究,可以總結(jié)得到以下結(jié)論。

(1)在彎剪作用和支撐作用這2種面內(nèi)作用下,設(shè)置縱肋小隔板可以使得橫梁腹板與縱肋連接焊縫端部縱肋腹板應(yīng)力大幅減小,橫梁腹板應(yīng)力大幅增加,即提高了縱肋腹板的疲勞性能卻增加了橫梁腹板發(fā)生疲勞開(kāi)裂的可能性。

(2)在不對(duì)稱加載和相對(duì)縱向位移這2種面外作用下,設(shè)置縱肋小隔板后橫梁腹板與縱肋連接焊縫端部縱肋腹板應(yīng)力稍有減小,橫梁腹板應(yīng)力稍有增加,即設(shè)置小隔板對(duì)面外作用時(shí)正交異性板該部位的疲勞性能影響不大。

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Influence Study of Using Longitudinal Rib Bulkhead upon Fatigue Performance of Orthotropic Steel Bridge Deck

GAO Li-qiang,SHI Zhou,HAN Bing
(School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

In orthotropic steel bridge deck,the mutual effects between the crossbeam web and the longitudinal rib may be resulted because of many factors,among which both the bending-shearing effect of crossbeam web and the in-plane supporting effect of crossbeam web on the longitudinal rib belong to in-plane effects,while both the unsymmetrical loading effect and the relative longitudinal displacement effect belong to out-of-plane effects.Through comparative study on principal tensile stresses of all investigated points of orthotropic steel bridge deck using longitudinal rib bulkhead and not using longitudinal rib bulkhead under the four effects,some conclusions are obtained:1)Under the action of in-plane effects,using longitudinal rib bulkhead can enhance anti-fatigue performance of longitudinal rib web near the end of weld joint between crossbeam web and longitudinal rib,but will increase the cracking possibility of the crossbeam web.2)Under the action of out-of-plane effects,using longitudinal rib bulkhead has little effect on fatigue performance of orthotropic steel deck near the end of weld joint between crossbeam web and longitudinal rib.

orthotropic steel bridge deck;longitudinal rib bulkhead;fatigue;stress analysis

U441+.4

A

1004-2954(2013)03-0066-04

20120703;

20120710

鐵道部重大課題子課題(2009G004-C-2)

高立強(qiáng)(1984—),男,博士研究生,E-mail:gaoliqiang1984@ 126.com。