組合U肋鋼橋面板受力性能研究*

劉 榮 馮志強 劉玉擎 繆 維

(河海大學土木與交通學院1) 南京 210098) (同濟大學橋梁工程系2) 上海 200092)

0 引 言

正交異性鋼橋面板(簡稱“鋼橋面板”)自重較輕，承載力高，工廠制作便捷，已廣泛用作大跨徑橋梁的橋面結(jié)構.隨著交通流量增大和服役年份增長，部分鋼橋面板出現(xiàn)鋼結(jié)構疲勞損傷和瀝青混合料鋪裝層病害，影響橋梁結(jié)構安全及耐久性[1].

以往研究顯示，鋼橋面板的頂板與U肋、U肋與橫隔板焊接接頭及橫隔板弧形切口承受車輛荷載的反復作用而出現(xiàn)疲勞損傷，為抗疲勞設計的關鍵構造細節(jié)[2-3].以厚度為12 mm的頂板為例，頂板較薄、彎曲剛度較小，U肋支撐處頂板截面剛度突變，車輪局部作用使得頂板焊趾及焊根承受集中應力而萌生疲勞損傷，進而可能擴展為貫穿頂板的疲勞裂紋[4-5].U肋與橫隔板結(jié)合部中，焊縫焊趾及弧形切口亦承受集中應力而可能出現(xiàn)疲勞損傷[6-7].車輛荷載引起的局部應力集中為鋼橋面板疲勞損傷重要因素，減小局部應力集中為鋼橋面板抗疲勞設計的重要措施之一.

以往鋼橋面板疲勞設計大多以構造細節(jié)的名義應力及應力幅為依據(jù)，以評價局部應力集中引起的疲勞效應.但鋼橋面板構造及受力較為復雜，難以確定其名義應力及疲勞強度.與名義應力相比，疲勞熱點應力可依據(jù)網(wǎng)格細分的有限元分析而精確得出，其疲勞強度亦可依據(jù)焊縫類型而確定[8].國內(nèi)外學者針對鋼橋面板頂板焊趾[9-10]、橫隔板焊趾[11-12]及橫隔板弧形切口[13]的疲勞熱點應力效應開展有限元分析及模型試驗研究.試驗結(jié)果與熱點應力理論分析結(jié)果相近，熱點應力為鋼橋面板疲勞效應評估的可靠依據(jù)之一.頂板與U肋采用單面坡口的部分熔透焊縫連接，頂板焊根疲勞評價與焊趾不同，因此需要單獨評估焊根處應力.文獻[14]研究表明，距U肋與頂板交點10 mm處的應力可用于評估焊根應力水平.

為緩解以往鋼橋面板可能出現(xiàn)的應力集中，本文提出設置寬口U肋并部分填充混凝土的組合U肋鋼橋面板[15].通過有限元分析，得出關鍵疲勞細節(jié)受力特點，評估組合U肋鋼橋面板受力性能.

1 組合U肋鋼橋面板構造特點

組合U肋鋼橋面板與以往正交異性鋼橋面板構造見圖1.正交異性鋼橋面板的頂板焊接U形加勁肋，頂板厚度大多為12 mm以上，U肋上口寬度為300 mm，相鄰U肋凈距為300 mm，見圖1a).考慮到12 mm頂板大多出現(xiàn)疲勞損傷，新建鋼橋面板厚度逐步增大至14 mm與16 mm[16].

組合U肋鋼橋面板設置厚度為12 mm的頂板，U肋上口寬度增大為400 mm，U肋凈距減小為200 mm，見圖1b).寬口U肋內(nèi)距頂板約45 mm處設置厚度為3 mm的鋼隔板.U肋與頂板焊接完成后，從橋面板端部向U肋內(nèi)填充自密實輕質(zhì)混凝土.U肋內(nèi)鋼隔板上表面設置焊釘連接件，以增大內(nèi)填混凝土與鋼隔板結(jié)合強度.組合U肋鋼橋面板可使用以往鋼橋面板應用較多的瀝青混合料鋪裝層，其施工方法亦可參考以往鋼橋面板較為成熟的工廠化制作工藝及鋪裝層攤鋪技術.

圖1 鋼橋面板橫截面圖(單位：mm)

2 有限元模型建立

使用通用有限元程序ANSYS 14.0，選取七根U肋組成的鋼橋面板，建立板殼有限元模型，重點分析中間U肋支撐的鋼橋面板受力性能，見圖2.

鋼結(jié)構采用SHELL181板殼單元模擬，混凝土采用SOLID45實體單元模擬.鋼材彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3.混凝土彈性模量為3.5×104MPa，泊松比為0.166 7.焊接接頭局部區(qū)域網(wǎng)格細化，殼單元長度約為3 mm，以提高應力計算精度.

橫隔板下緣節(jié)點施加豎向及繞橫橋向轉(zhuǎn)動約束，頂板側(cè)緣節(jié)點施加的繞縱橋向轉(zhuǎn)動約束.內(nèi)填混凝土與頂板、U肋接觸面法向位移協(xié)調(diào)，模擬鋼與混凝土接觸承壓.單位車輪荷載依據(jù)后軸雙輪取值，軸重140 kN，著地面積為600 mm×200 mm，不計沖擊作用[17].車輪荷載沿橫橋向與縱橋向移動，以得出不利車輪作用位置.

圖2 鋼橋面板有限元模型(單位：mm)

各構造細節(jié)焊趾應力集中依據(jù)疲勞熱點應力評價，熱點應力依據(jù)焊趾附近鋼板應力梯度插值計算得出，見式(1).距U肋與頂板交點10 mm，即距離焊根約5 mm處，與疲勞熱點相對而定義為“冷點”，焊根冷點應力可通過有限元分析得到收斂值，其疲勞強度亦可依據(jù)以往疲勞試驗得出.本文依據(jù)熱點應力與冷點應力，評價各構造細節(jié)的應力集中，應力取值部位見圖3.

σhs=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

式中：σhs為疲勞熱點應力；σ0.4t,σ1.0t分別為距焊趾0.4t、1.0t處參考應力.對于頂板焊趾，t為鋼橋面板厚度.對于橫隔板與U肋結(jié)合部，t為橫隔板厚度.

圖3 應力取值示意圖

3 計算結(jié)果及分析

3.1 頂板焊趾熱點應力

車輪荷載沿橫橋向與縱橋向移動，頂板焊趾熱點應力見圖4.單位車輪荷載作用下，組合U肋鋼橋面板頂板焊趾疲勞熱點應力約為60 MPa，熱點應力幅約為75 MPa.與12 mm鋼橋面板相比，頂板焊趾熱點應力降低約50%，可大幅降低頂板應力集中.采用12 mm組合U肋鋼橋面板，其頂板焊趾熱點應力與16 mm鋼橋面板相近.組合U肋鋼橋面板U肋上口間距增大，使相鄰U肋凈距縮短，可有效降低疲勞熱點應力，緩解鋼橋面板應力集中，有利于改善頂板焊趾抗疲勞性能.

圖4 頂板焊趾熱點應力

3.2 頂板焊根冷點應力

頂板焊根冷點應力隨車輪荷載沿橫橋向與縱橋向移動而改變，見圖5.單位車輪荷載作用下，組合U肋鋼橋面板頂板焊根冷點應力約為30 MPa，冷點應力幅約為40 MPa.與12 mm鋼橋面板相比，頂板焊根冷點應力降低約70%；與16 mm鋼橋面板相比，頂板焊根冷點應力降低約30%.組合U肋內(nèi)部分填充混凝土，頂板抗彎剛度增大，焊根冷點應力大幅降低，有效緩解頂板焊根應力集中，有利于改善焊根抗疲勞性能.

圖5 頂板焊根冷點應力

3.3 橫隔板與U肋結(jié)合部熱點應力

車輪荷載沿橫橋向與縱橋向移動，橫隔板與U肋接頭切向熱點應力見圖6.單位車輪荷載作用下，橫隔板與U肋接頭承受集中切向拉應力.采用組合U肋鋼橋面板，橫隔板與U肋接頭切向熱點應力幅約為50 MPa.與12 mm鋼橋面板相比，切向熱點應力幅降低約30%；與16 mm鋼橋面板相比，熱點應力幅降低約17%.組合U肋內(nèi)部分填充混凝土，使得U肋腹板抗彎剛度增大，橫隔板與U肋接頭應力減小，其抗疲勞性能得到改善.

圖6 橫隔板弧形切口與U肋接頭熱點應力

弧形切口熱點應力隨車輪荷載沿橫橋向與縱橋向移動而改變，見圖7.單位車輪荷載作用下，弧形切口最小凈截面處承受集中切向壓應力.采用組合U肋方案，弧形切口切向熱點應力幅約為60 MPa.與12 mm鋼橋面板相比，弧形切口熱點應力幅值降低約20%.而僅通過增加頂板厚度為16 mm，橫隔板弧形切口熱點應力降幅微小.組合U肋鋼橋面板能夠降低弧形切口應力集中，有利于緩解橫隔板弧形切口疲勞.

圖7 弧形切口熱點應力

3.4 豎向撓度分析

車輪荷載沿橫橋向移動，U肋內(nèi)頂板中點和相鄰U肋間頂板中點豎向撓度見圖8.

圖8 頂板豎向撓度

由圖8a)可知，單位車輪荷載作用下，采用組合U肋鋼橋面板U肋內(nèi)頂板豎向撓度約為0.7 mm.與12 mm鋼橋面板相比，U肋內(nèi)頂板豎向撓度降低約50%；與16 mm鋼橋面板相比，豎向撓度降低約35%.由圖8b)可知，采用組合U肋方案，相鄰U肋間頂板豎向撓度約為0.9 mm.與12 mm鋼橋面板相比，頂板豎向撓度降低約27%.采用組合U肋鋼橋面板，其相鄰U肋間頂板的豎向撓度與16 mm鋼橋面板相近.組合U肋鋼橋面板能夠在不增大頂板厚度的情況下，有效增強鋼橋面板頂板剛度，減小輪載作用下的局部變形，有利于改善橋面板鋪裝層受力.

4 結(jié) 論

1) 組合U肋鋼橋面板相對于12 mm鋼橋面板，頂板焊趾熱點應力降低約50%，焊根冷點應力降低約70%.可有效緩解以往鋼橋面板頂板與U肋焊接接頭應力集中，改善鋼橋面板抗疲勞性能.

2) 組合U肋鋼橋面板相對于12 mm鋼橋面板，橫隔板與U肋接頭熱點應力幅降低約30%，橫隔板弧形切口熱點應力幅降低約20%，改善橫隔板與U肋結(jié)合部抗疲勞性能.而僅增大頂板厚度，橫隔板與U肋結(jié)合部熱點應力降幅微小.

3) 組合U肋鋼橋面板相對于12 mm厚的鋼橋面板，頂板豎向變形降低約50%.相對于單純增大頂板厚度，組合U肋鋼橋面板降低頂板豎向變形效果較好，有利于改善橋面板鋪裝層受力.