高速鐵路跨度132 m鋼桁梁正交異性板橋面系橫肋開孔處應(yīng)力分析

方桂芬

(鐵道第一勘察設(shè)計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

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高速鐵路跨度132 m鋼桁梁正交異性板橋面系橫肋開孔處應(yīng)力分析

方桂芬

(鐵道第一勘察設(shè)計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

為了保證正交異性板的整體性，縱梁、縱肋通常連續(xù)通過橫梁、橫肋，橫梁(肋)在相交處需相應(yīng)開孔。橫梁(肋)開孔處由于承受面內(nèi)及面外的應(yīng)力，使得該部分的應(yīng)力非常復(fù)雜，是橋面系的薄弱環(huán)節(jié)，合理的構(gòu)造處理及開孔形式能夠改善該部分的應(yīng)力集中，優(yōu)化橋面設(shè)計，延長橋面系使用壽命。通過對橋面系板單元有限元分析，總結(jié)出該部分受力特點及影響因素，并對開孔方式的影響進行了定性分析。

鐵路橋；鋼桁梁橋；橋面系；縱梁；縱肋；橫梁；橫肋；應(yīng)力；開孔方式

1 概述

圖1 某橋橋面系裂縫病害

正交異性板鋼橋面系，橫梁(肋)與縱梁(肋)相交處，由于同時承受了橫梁(肋)面內(nèi)及縱梁(肋)傳遞來的面外應(yīng)力，使得該部分受力復(fù)雜，成為橋面系薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生疲勞裂縫[1-2](圖1)。中外學(xué)者對開孔的方式均進行過相應(yīng)的研究，實際工程中應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場施工焊接工藝及工程造價等各方面因素，選擇合理的開孔方式。各國規(guī)范對該部分的構(gòu)造設(shè)置也進行了規(guī)定，其中歐洲規(guī)范對公路、鐵路鋼橋作出明確規(guī)定，當(dāng)縱肋采用U形加勁肋時，鐵路鋼橋面系采用“蘋果形”開孔方式，公路鋼橋面系采用“平底形”開孔方式，但歐洲規(guī)范對T形加勁肋沒有作出相關(guān)規(guī)定，見圖2。日本《鋼橋設(shè)計指南》對U肋開孔處規(guī)定為“平底”形，但開孔大小與歐洲規(guī)范有所不同。日本規(guī)范也無T形加勁肋的相關(guān)規(guī)定，但是對板形加勁肋作出規(guī)定。見圖3。

圖2 歐洲規(guī)范對橫肋開口處規(guī)定

我國規(guī)范對正交異性板鋼梁構(gòu)造要求還暫無規(guī)定。在已建成的鐵路橋中，U肋加勁肋“蘋果”形及“平底”形開孔方式均有采用。南京大勝關(guān)長江大橋、安慶長江鐵路大橋采用“蘋果”形開孔，新廣州站跨環(huán)城高速特大橋東平水道主橋采用“平底”形開孔方式[3-6]。T形加勁肋采用較多的有兩種開孔方式：對稱型開孔及非對稱型開孔，如圖4所示。對稱型開孔，T肋腹板與橫梁(肋)焊接相連，翼緣板底面與橫梁(肋)焊接相連，翼緣板其他部分不與橫梁相連；非對稱型開孔，T肋腹板一側(cè)與橫梁(肋)焊接相連，一側(cè)開孔，翼緣板與橫梁(肋)底板不相連。

2 開孔處應(yīng)力特點

現(xiàn)以西成客運專線132 m簡支鋼桁梁為工程依托，對正交異性鋼橋面板橫梁、橫肋開孔處應(yīng)力進行分析研究，分析該部位應(yīng)力特點，并對影響因素進行總結(jié)。

西成客運專線跨西寶客運專線特大橋132 m簡支鋼桁梁為跨越西寶客運專線及福銀高速而設(shè)，鋼桁梁全長134 m，桁高20 m，主桁中心距13.9 m，節(jié)間長度11 m，主桁結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。橋面系采用多橫梁正交異性板結(jié)構(gòu)形式，縱梁采用U肋及在軌道下方設(shè)置“倒T形”小縱梁。橫向布置如圖6所示。

圖5 主橋立面布置(單位：mm)

圖6 橫斷面布置(單位：mm)

U肋與主桁連接處，由于橋面在橋梁橫向的豎向彎曲，導(dǎo)致U 肋的扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致U肋外側(cè)(靠近主桁側(cè))橫梁腹板受拉，內(nèi)側(cè)(靠近跨中側(cè))受壓[7-11]。橫梁外側(cè)U肋開孔處腹板主拉應(yīng)力最大；內(nèi)側(cè)U肋的扭轉(zhuǎn)變形較小，主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力均較小，U肋兩側(cè)的受力也較均勻，且越靠近跨中，應(yīng)力均勻性越好[12]。如圖7、圖8所示。

圖7 跨中處U肋處橫梁主拉應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 靠近主桁側(cè)U肋處橫梁主拉應(yīng)力(單位：MPa)

3 影響開孔處應(yīng)力的因素

現(xiàn)對橫肋腹板、橫肋根數(shù)、U肋板厚及開孔方式對相交處應(yīng)力的影響進行分析。

3.1 橫肋腹板厚度對U肋開孔處應(yīng)力的影響

增加橫肋腹板厚度，能有效降低開孔處主拉應(yīng)力，如圖9所示。

圖9 橫肋腹板厚度對開孔處主拉應(yīng)力影響

3.2 橫肋根數(shù)對橫肋腹板開孔處應(yīng)力的影響

橫肋根數(shù)由1根變到4根時，橫梁U肋開孔處及橫梁與主桁連接處主拉應(yīng)力如圖10所示。從圖中可以看出，隨著橫肋根數(shù)的增加，橫梁U肋開孔處主拉應(yīng)力明顯減小，但對于橫梁與主桁連接處，影響甚小。

3.3 U肋板厚對橫肋腹板開孔處應(yīng)力的影響

增加U肋板厚，能有效降低U肋與橫梁(橫肋)處主拉應(yīng)力，但是橫梁與主桁連接處主拉應(yīng)力卻有所增加，從數(shù)值來看，應(yīng)力增加幅度較小，U肋板厚增加8 mm時，應(yīng)力增加不到1%，可忽略不計。橫梁開孔處以及橫肋與主桁連接處應(yīng)力如圖11、圖12所示。

圖10 橫肋根數(shù)對主拉應(yīng)力影響

圖11 U肋板厚對橫梁開孔處主拉應(yīng)力影響

圖12 U肋板厚對橫梁與主桁連接處處主拉應(yīng)力影響

3.4 開孔方式對開孔處應(yīng)力影響

為了分析不同的縱肋及U肋開孔方式對橫梁主拉應(yīng)力的影響，現(xiàn)建立4個節(jié)間(節(jié)間長11 m)空間板單元模型。沿橫橋向，左側(cè)U肋設(shè)“蘋果”形開孔方式，“T”肋設(shè)置為雙側(cè)對稱型開孔；右側(cè)U肋設(shè)“平底”形開孔方式，“T”肋設(shè)置成雙側(cè)非對稱型開孔。如圖13、圖14所示。

圖13 開孔方式布置

圖14 開孔方式詳圖(單位：mm)

3.4.1 U肋開孔處

U肋，計算結(jié)果顯示，“平底”形開孔主拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近主桁的拐角處，最大主拉應(yīng)力為357.2 MPa，“蘋果”形開孔方式主拉應(yīng)力也出現(xiàn)在靠近主桁的拐角處，但極值并未出現(xiàn)在開孔邊緣，而是與開孔邊緣相鄰的單元，最大主拉應(yīng)力為286.6 MPa。在U肋與橫肋連接的上緣處，“平底”形開孔方式主拉應(yīng)力為77.5 MPa，“蘋果”形開孔方式主拉應(yīng)力為68.4 MPa。如圖15、圖16所示。

圖15 “蘋果”形開孔處橫梁主拉應(yīng)力(單位：MPa)

圖16 “平底”形開孔處橫梁主拉應(yīng)力(單位：MPa)

3.4.2 “T”肋開孔處

對于對稱型“T”肋開孔方式，“T”肋與橫肋相交處，橫肋沿“T”肋兩側(cè)應(yīng)力較為均勻，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在“T”肋下翼緣板，靠近跨中側(cè)，最大主拉應(yīng)力為99 MPa，“T”肋上緣與橫梁相交處，最大主應(yīng)力為105 MPa；非對稱開孔方式，沿“T”肋腹板中心，兩側(cè)橫肋應(yīng)力均勻性較差，靠近跨中側(cè)，主拉應(yīng)力偏大，腹板開孔側(cè)主拉應(yīng)力偏小，主拉應(yīng)力最值出現(xiàn)在“T”肋下翼緣，靠近主桁側(cè)，284 MPa；上緣主拉應(yīng)力出現(xiàn)在過焊孔下緣，188 MPa。如圖17、圖18所示。

圖17 T肋對稱開孔方式應(yīng)力(單位：MPa)

從“T”肋開孔處橫梁應(yīng)力特點可以看出，“T”肋腹板與橫梁兩側(cè)均焊接，有利于阻止“T”肋的扭轉(zhuǎn)變形，從而減小橫肋相應(yīng)處的主拉應(yīng)力。

圖18 T肋不對稱開孔方式應(yīng)力(單位：MPa)

4 結(jié)論

綜上所述，開孔處內(nèi)側(cè)受壓，外側(cè)受拉，靠近跨中側(cè)受力趨于均勻，靠近主桁側(cè)應(yīng)力突變較為明顯。改變橫肋腹板厚度、橫肋根數(shù)及U肋板厚，對開孔處主拉應(yīng)力影響較大；對于T肋，對稱型開孔方式，橫梁開孔處應(yīng)力較為均勻，主拉應(yīng)力較??；對于鐵路橋梁正交異性板U肋，采用“蘋果”形開孔方式，能有效降低開孔處主拉應(yīng)力。在正交異性鋼橋面板設(shè)計過程中，應(yīng)合理選擇開孔方式，規(guī)避應(yīng)力集中，優(yōu)化橋面設(shè)計，延長橋面系使用壽命。基于上述分析，西成客運專線132 m簡支鋼桁梁，在橫梁(橫肋)與縱向U肋相交處采用“蘋果”形開孔方式，與T肋相交處采用對稱型開孔方式。

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Stress Analysis of Cross Rib near the Hole of Orthotropic Steel Deck System with 132 m Span Steel Truss Beam on High Speed Railway

FANG Gui-fen

(Bridge & Tunnel Design Department，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

In order to ensure the integrity of the orthotropic steel deck system， longitudinal beam and longitudinal rib usually cross transverse beams and ribs continuously， and transverse beams or ribs need to cut holes at the cross point. Stress near the transverse beams or ribs is very complex due to the stress in and out of the plane， where the weak link exists in the deck system. The reasonable structure treatment and hole shape can improve the stress concentration of this area so as to optimize the design of the bridge deck and prolong the service life of the bridge deck system. The finite element analysis shows the characteristics and influencing factors of the joint place and quantifies the influence of the hole shape．

Railway bridge; Steel truss bridge; Deck system; Longitudinal beam; Longitudinal rib; Transverse beam; Transverse rib; Stress; Hope shape

2016-04-11；

2016-04-25

方桂芬(1979—)，女，高級工程師，碩士研究生，E-mail：94786987@qq.com。

1004-2954(2016)11-0062-04

U238； U443.35

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.015