鋼箱梁橋面板第三體系下參數化分析

袁霖宇（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司）

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鋼箱梁橋面板第三體系下參數化分析

袁霖宇
（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司）

【摘要】本文以某鋼箱梁的正交異性板第三結構體系為研究對象，采用Midas-FEA建立有限元模型。以U肋間距、U肋厚度及頂板厚度為變量參數，對比分析不同參數下的結構受力行為。研究表明：在U肋間距不變情況下，增加橋面板厚度、U肋厚度能降低橋面板在第三體系下的撓曲變形。在橋面板厚度與U肋厚度不變情況下，當U肋壁間距與U肋開口寬度一致時，橋面板撓曲變形最小。對于城-A車輛的輪載，當U肋開口為300mm時，U肋間距宜采用600mm。

【關鍵字】鋼箱梁正交異性板第三體系；FEA

1　概述

隨著我國近幾年的經濟飛速發展，鋼箱梁橋得到大量的應用。由于鋼橋面板其獨特的受力特性，其耐久性受到不同程度的考驗。當車輪作用于正交異性橋面板時，橋面板在承受車輛荷載的反復作用后，因面外變形而出現疲勞開裂現象，同時橋面板過大的局部變形易使得橋面板上的瀝青混凝土鋪裝層開裂。

為了提高鋼橋面系壽命，避免鋼橋面板和鋪裝層裂縫的產生，文章針對城市某鋼箱梁橋，根據規范中有關正交異性板鋼橋面的構造規定，結合正交異性板在第三體系中的受力行為，對鋼橋面板進行參數化分析。

2　有限元模型建立

為了研究橋面在縱肋間的豎向位移及橫向應力狀態，取U肋和橋面板建立第三體系計算模型，長度為2m，寬度隨U間距變化而變化，U數量為6個，U肋開口寬度為300mm，約束U肋腹板與U肋底板交接線上所有點的三向位移。第三體系局部模型三維圖如圖1所示。

圖1　第三體系局部模型

在Midas-FEA板單元精細模型中，采用的城-A級車輛荷載，并考慮鋪裝層擴散角，荷載沖擊系數取為0.4。車輛荷載技術指標見表1。

3　變量參數設置及荷載布置

表2參數根據設計經驗及實例調查所得出，各國規范中對于U肋厚度最低要求皆為6mm，城市鋼箱梁橋面板厚度普遍采用16～24mm的規格。

表1　車輪技術指標

表2　設計變量

車輪與U肋的相對位置，直接影響橫向受力的大小，故設置四中橫向荷載布置形式：①荷載關于U肋壁間距的中點對稱布置；②荷載關于U肋開口中點對稱布置；③荷載單向布置，以布滿第一個U肋開口開始；④荷載單向布置，以布滿第一個U肋壁間距開始。布置形式見圖2。

4　結果分析

通過計算分析四種荷載形式在不同參數下的有限元模型的結果，可以得知，在U肋厚度與橋面板厚度不變的情況下，當U肋間距為500mm時，位移最大值發生于荷載布置形式1下；當U肋間距為600mm時，位移最大值發生于荷載布置形式4下；當U肋間距為700mm時，位移最大值發生于荷載布置形式4下。將三種U肋間距下的最大撓度值見表3。

由表3可以看出，在U肋間距為700mm，橋面板厚度小于18mm時，其豎向撓度值均大于0.4mm，不滿足縱肋間面板的相對撓度應≤0.4mm的規范要求。

由于車輪荷載通過鋪裝層擴散過后，其尺寸為0.74m×0.39m，可見車輪寬度大于U開口寬度的兩倍，因此U肋間距的大小、U肋與車輪的相對位置對橋面板的受力結果產生最為顯著的影響。因此針對中國規范的車輛荷載，對于開口寬度為300mm的U肋，其間距為600mm最為適宜。

在U肋厚度與橋面板厚度不變的情況，當U肋間距為500mm時，橫向應力最大值發生于荷載布置形式2下；當U肋間距為600mm時，位移最大值發生于荷載布置形式4下；當U肋間距為700mm時，位移最大值發生于荷載布置形式4下。將三種U肋間距下的最大橫向應力見表4。

由表4可以得出，橫向應力均小于規范允許的容許應力，滿足規范要求。由于模型支承形式約束了U肋加勁整體的豎向變形，U厚度的變化對于計算模型的影響不大。U肋間距對橫向應力的影響最大，間距每增大100mm，應力增大30MPa。在U肋間距不變的情況下，隨著橋面板厚度的增加，橋面板橫向應力減小，其減小幅度也隨之減小。

圖2　車輪與在橋面板的布置位置

表3　三種U肋間距下的最大撓度情況（單位：mm）

表4　三種U肋間距下的最大橫向應力情況　（單位：MPa）

5　結論

本文以某鋼箱梁的正交異性板第三結構體系為研究對象，采用Midas-FEA建立有限元模型。以U肋間距、U肋厚度及頂板厚度為變量參數，對比分析不同參數下的結構受力行為。研究表明：在U肋間距不變情況下，增加橋面板厚度、U肋厚度能降低橋面板在第三體系下的撓曲變形。在橋面板厚度與U肋厚度不變的情況下，當U肋壁間距與U肋開口寬度一致時，橋面板撓曲變形最小。對于城-A車輛的輪載，當U肋開口為300mm時，U肋間距宜采用600mm。●

【參考文獻】

［1］CJJ11-2011，城市橋梁設計規范［S］.

［2］小西一郎.鋼橋［M］.北京：人民鐵道出版社，1980.

［3］中交公路規劃設計院.正交異性鋼橋面系統的設計和基本維護指南［M］.

［4］李延東，梁田，鮑宇文，劉孝寒.正交異性鋼橋面板的精細有限元分析研究［J］.路基工程，2011.

［5］李立峰，邵旭東.計入局部剛度和穩定約束的鋼橋面板優化設計［J］.湖南大學學報（自然科學版），2009.

［6］蘇彥江.鋼橋構造與設計［M］.成都：西南交通大學出版社，2006.