縱梁(肋)高度對(duì)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安 710043)

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縱梁(肋)高度對(duì)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安 710043)

正交異性板各個(gè)構(gòu)件的選用關(guān)系著鋼橋面系的安全性及經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)有限元分析軟件，建立橋面系板單元模型，對(duì)正交異性板多橫梁體系縱梁、縱肋高度變化時(shí)橋面系各部分受力分析，總結(jié)縱梁(肋)高度變化對(duì)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(shì)，得出結(jié)論：增加縱梁高度，縱梁自身正應(yīng)力逐漸增大，U肋正應(yīng)力逐漸減小；橫梁U肋挖孔處主拉應(yīng)力增大，橫肋相應(yīng)處主拉應(yīng)力減小，但減小或增大的幅度較小。改變T形縱梁高度，對(duì)橫梁整體受力及橋面板影響甚小，可忽略不計(jì)，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(guò)大或者過(guò)小，橋面板應(yīng)力的均勻性均不好，且主拉應(yīng)力均較大。增大U肋高度，縱梁正應(yīng)力逐漸減小，U肋自身應(yīng)力并未成線性變化趨勢(shì)，而是呈“鋸齒”形變化趨勢(shì)。改變U肋高度對(duì)橋面板應(yīng)力影響均較小，可忽略不計(jì)，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(yīng)力；主拉應(yīng)力；橫梁；橫肋；挖孔方式

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路正朝著高速、重載的方向發(fā)展。高速鐵路及客運(yùn)專線對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能提出了更高的要求，高速鐵路橋面結(jié)構(gòu)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(diǎn)，較易于滿足高速鐵路的行車要求，從而得到廣泛應(yīng)用[1-4]。以西成客專132 m簡(jiǎn)支鋼桁梁為工程依托，對(duì)正交異性板縱梁(肋)高度對(duì)橋面系受力影響進(jìn)行定性分析。

西成客專跨西寶客專特大橋132 m簡(jiǎn)支鋼桁梁為跨越西寶客專及福銀高速公路而設(shè)，鋼桁梁全長(zhǎng)134 m，桁高20 m，主桁中心距13.9 m，節(jié)間長(zhǎng)度11 m，主桁結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。橋面系采用多橫梁正交異性板結(jié)構(gòu)形式，縱向采用U肋及軌道下方設(shè)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(duì)橋面系受力的影響

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

圖3 縱梁高度對(duì)自身

圖4 縱梁高度對(duì)橫梁

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

圖5 縱梁高度對(duì)橫梁

圖6 縱梁高度對(duì)橋面

在橋面系其余部位構(gòu)造相同的情況下，通過(guò)在橋面板施加相同布置的恒載及活載，改變縱梁高度，計(jì)算橋面系位移。分析結(jié)果顯示，縱梁高度對(duì)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(shí)，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(jì)。可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整增加縱梁高度來(lái)調(diào)整橋面剛度，效果有限。

圖7 縱梁高度對(duì)橋面位移的影響

3 U肋高度對(duì)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(shí)，橋面系受力情況如表1所示。從表列結(jié)果可以看出，改變U肋高度，對(duì)橫梁(肋)下翼緣應(yīng)力、橋面位移影響很小，可忽略不計(jì)。U肋高度過(guò)小(220 mm)或過(guò)高(300 mm)，橫梁(肋)挖孔處應(yīng)力均較大，波動(dòng)幅度達(dá)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(yīng)力及位移

圖8、圖9為縱梁及U肋、橋面板應(yīng)力隨U肋高度變化趨勢(shì)圖，從圖8可以看出，隨著U肋高度變化，U肋自身應(yīng)力呈鋸齒形變化，應(yīng)力波動(dòng)性較大。縱梁正應(yīng)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(shí)，縱梁應(yīng)力減小約8%。從圖9可以看出，橋面板順橋向應(yīng)力亦呈不規(guī)則變化，先逐漸增大，U肋高260 mm時(shí)，橋面板應(yīng)力達(dá)到最大，之后逐漸減小，波動(dòng)幅度為8%。

圖8 U肋高度對(duì)自身及縱梁正應(yīng)力的影響

圖9 U肋高度對(duì)橋面板正應(yīng)力影響

3.2 U肋高度對(duì)橋面板應(yīng)力均勻性的影響

改變U肋高度，橋面板縱向正應(yīng)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(dòng)特性基本一致，U肋高220 mm時(shí)，橋面應(yīng)力波動(dòng)性最大，U肋高280、300 mm時(shí)波動(dòng)性較大，U肋高240、260 mm時(shí)，波動(dòng)性最小。可見(jiàn)，U肋高度過(guò)高或者過(guò)低，橋面板應(yīng)力的波動(dòng)性較大，受力特性較差[12-13]。

圖10 橋面板縱向應(yīng)力橫向分布

4 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)橋面采用正交異性板時(shí)，增加縱梁高度，縱梁自身正應(yīng)力逐漸增大，U肋正應(yīng)力逐漸減小；同時(shí)，橫梁U肋挖孔處主拉應(yīng)力增大，橫肋相應(yīng)處主拉應(yīng)力減小，但減小或增大的幅度較小。改變T形縱梁高度，對(duì)橫梁整體受力及橋面板系剛度影響甚小，可忽略不計(jì)，縱梁合理高度應(yīng)為橫梁高度的0.35～0.4倍。設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)大或者過(guò)小，橋面板應(yīng)力的均勻性均不好，且主拉應(yīng)力均較大。增大U肋高度，縱梁正應(yīng)力逐漸減小，U肋自身應(yīng)力并未成線性變化趨勢(shì)，而是呈“鋸齒”形變化趨勢(shì)。改變U肋高度對(duì)橋面板應(yīng)力影響均較小，可忽略不計(jì)。U肋適宜高度為240～260 mm，本橋選用260 mm。

[1] 吳沖.現(xiàn)代鋼橋(上冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，2006：97-115.

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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(jí)工程師，2005年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，工學(xué)碩士。

1004-2954(2016)12-0071-03

U443.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.016