縱梁(肋)高度對正交異性板鋼橋面系受力影響分析

方桂芬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

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縱梁(肋)高度對正交異性板鋼橋面系受力影響分析

方桂芬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

正交異性板各個構件的選用關系著鋼橋面系的安全性及經濟性，通過有限元分析軟件，建立橋面系板單元模型，對正交異性板多橫梁體系縱梁、縱肋高度變化時橋面系各部分受力分析，總結縱梁(肋)高度變化對橋面板、橫梁以及橫梁與縱梁(肋)相交處挖孔部位受力的影響趨勢，得出結論：增加縱梁高度，縱梁自身正應力逐漸增大，U肋正應力逐漸減小；橫梁U肋挖孔處主拉應力增大，橫肋相應處主拉應力減小，但減小或增大的幅度較小。改變T形縱梁高度，對橫梁整體受力及橋面板影響甚小，可忽略不計，T形縱梁的合理取值范圍為橫梁高度的0.35～0.4倍；U肋高度過大或者過小，橋面板應力的均勻性均不好，且主拉應力均較大。增大U肋高度，縱梁正應力逐漸減小，U肋自身應力并未成線性變化趨勢，而是呈“鋸齒”形變化趨勢。改變U肋高度對橋面板應力影響均較小，可忽略不計，U肋的合理高度取值范圍為240～280 mm。

鐵路鋼橋；縱梁高度；縱肋高度；橋面系；正應力；主拉應力；橫梁；橫肋；挖孔方式

1 概述

隨著我國經濟的高速發展，鐵路正朝著高速、重載的方向發展。高速鐵路及客運專線對橋梁結構性能提出了更高的要求，高速鐵路橋面結構必須具有很好的整體剛度，足夠的耐久性和良好的軌道平順性。而正交異性板橋面形式具有自重輕、承載力大、行車舒適性好等特點，較易于滿足高速鐵路的行車要求，從而得到廣泛應用[1-4]。以西成客專132 m簡支鋼桁梁為工程依托，對正交異性板縱梁(肋)高度對橋面系受力影響進行定性分析。

西成客專跨西寶客專特大橋132 m簡支鋼桁梁為跨越西寶客專及福銀高速公路而設，鋼桁梁全長134 m，桁高20 m，主桁中心距13.9 m，節間長度11 m，主桁結構形式如圖1所示。橋面系采用多橫梁正交異性板結構形式，縱向采用U肋及軌道下方設置“倒T形”小縱梁方式。橫向布置如圖2所示。

圖1 主橋立面布置(單位：mm)

圖2 橫斷面布置(單位：mm)

2 縱梁高度對橋面系受力的影響

本次設計共比較分析了4種縱梁高度，分別為450、500、550、600 mm。總結在不同縱梁高度情況下，橋面系各部分應力情況。從圖3可以看出，隨著縱梁高度的增大，U肋正應力逐漸降低，縱梁正應力逐漸增加。從圖4可以看出，縱梁高度的變化對橫梁、橫肋底板下翼緣應力影響很小，縱梁高度從450 mm增加到600 mm時，橫梁底板正應力變化1.2%；橫肋底板正應力變化2.5%，可見通過調整縱梁高度來改變橫梁整體受力，效果不明顯[5-7]。

圖3 縱梁高度對自身

圖4 縱梁高度對橫梁

縱梁高度增加，橫梁與U肋相交開孔處(以下簡稱橫梁開孔處)主拉應力逐漸增大，但橫肋挖孔處主拉應力逐漸減小，縱梁高度增加150 mm，橫梁挖孔處主拉應力增加4.1%，橫肋挖孔處主拉應力減小3.7%，縱梁高度變化，對橫梁與主桁連接處應力及橋面板應力幾乎沒有影響，如圖5、圖6所示。

圖5 縱梁高度對橫梁

圖6 縱梁高度對橋面

在橋面系其余部位構造相同的情況下，通過在橋面板施加相同布置的恒載及活載，改變縱梁高度，計算橋面系位移。分析結果顯示，縱梁高度對橋面系位移的影響很小，如圖7所示，隨著縱梁高度的增加，橋面跨中位移逐漸減小，但減小幅度有限，縱梁高度從450 mm增加至600 mm時，橋面最大位移由37.8 mm減小至37.5 mm，位移僅減少0.3 mm，減少幅度不足1%，可忽略不計。可見，通過調整增加縱梁高度來調整橋面剛度，效果有限。

圖7 縱梁高度對橋面位移的影響

3 U肋高度對橋面系受力的影響

3.1 U肋高度的合理范圍

U肋高度分別為220、240、260、280、300 mm時，橋面系受力情況如表1所示。從表列結果可以看出，改變U肋高度，對橫梁(肋)下翼緣應力、橋面位移影響很小，可忽略不計。U肋高度過小(220 mm)或過高(300 mm)，橫梁(肋)挖孔處應力均較大，波動幅度達28.3%～29.6%，合理的U肋高度范圍為240～280 mm[8-11]。

表1 橋面系應力及位移

圖8、圖9為縱梁及U肋、橋面板應力隨U肋高度變化趨勢圖，從圖8可以看出，隨著U肋高度變化，U肋自身應力呈鋸齒形變化，應力波動性較大。縱梁正應力隨著U肋高度的逐漸加大而逐漸減小，但是減小幅度很小，U肋高度從220 mm變化到300 mm時，縱梁應力減小約8%。從圖9可以看出，橋面板順橋向應力亦呈不規則變化，先逐漸增大，U肋高260 mm時，橋面板應力達到最大，之后逐漸減小，波動幅度為8%。

圖8 U肋高度對自身及縱梁正應力的影響

圖9 U肋高度對橋面板正應力影響

3.2 U肋高度對橋面板應力均勻性的影響

改變U肋高度，橋面板縱向正應力沿橫橋向分布如圖10所示，從圖10可以看出，隨著U肋高度變化，橋面板波動特性基本一致，U肋高220 mm時，橋面應力波動性最大，U肋高280、300 mm時波動性較大，U肋高240、260 mm時，波動性最小。可見，U肋高度過高或者過低，橋面板應力的波動性較大，受力特性較差[12-13]。

圖10 橋面板縱向應力橫向分布

4 結論

綜上所述，當橋面采用正交異性板時，增加縱梁高度，縱梁自身正應力逐漸增大，U肋正應力逐漸減小；同時，橫梁U肋挖孔處主拉應力增大，橫肋相應處主拉應力減小，但減小或增大的幅度較小。改變T形縱梁高度，對橫梁整體受力及橋面板系剛度影響甚小，可忽略不計，縱梁合理高度應為橫梁高度的0.35～0.4倍。設計過程中，從橋面系受力均勻性及用鋼量等方面綜合考慮，本橋縱梁高度取500 mm。

U肋高度過大或者過小，橋面板應力的均勻性均不好，且主拉應力均較大。增大U肋高度，縱梁正應力逐漸減小，U肋自身應力并未成線性變化趨勢，而是呈“鋸齒”形變化趨勢。改變U肋高度對橋面板應力影響均較小，可忽略不計。U肋適宜高度為240～260 mm，本橋選用260 mm。

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Influence of longitudinal Beam (rib) Height on the Stress of the Orthotropic Plate of Steel Bridge

FANG Gui-fen

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

The selection of components is critical to the safety and economy of bridge floor system. The plate element model of the deck is established with finite element analysis software to analyze every part of the orthotropic plate when the height of longitudinal beam or rib is changed， the influences of the change of the height of longitudinal beam or rib on the plate， cross beam， intersect excavated area of longitudinal beam(rib)and the cross beam are summed up. The results show that increasing the height of the longitudinal beam increases gradually the normal stress of longitudinal beam itself， and decreases gradually the normal stress of U rib; the principal tensile stress of the rib beam increases near the hole where the U rib cross， the principal tensile stress of corresponding local of Cross rib decreases， but the extent of decrease or increase is smaller; changing T girder height has little impact on the global stress of the cross beam， and can be ignored; the reasonable height of longitudinal beam is 0.35～0.4 time of the cross beam; too big or too small of the height of U ribs leads to undesirable stress uniformity of the bridge deck， resulting in bigger principal tensile stress; increasing the height of the U rib results in gradual decrease of the normal stress of the longitudinal beam， and the stress of U rib itself is not in a linear trend， but in a “zigzag” changing trend; changing U rib height has little impact on the global stress of the bridge deck slab and the reasonable height range of U rib is 240～280 mm．

Railway steel bridge; Height of longitudinal beam; Height of longitudinal rib; Floor system; Normal stress; Principal tensile stress; Cross beam; Cross rib; The way of cut-out

2016-05-26；

2016-06-07

方桂芬(1979—)，女，高級工程師，2005年畢業于北京交通大學，工學碩士。

1004-2954(2016)12-0071-03

U443.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.016