新型大縱肋正交異性鋼—RPC輕型組合橋面板構造研究

張 曉 東

(中鐵五局集團建筑工程有限責任公司,貴州 貴陽　550001)

0　引言

正交異性鋼橋面板正式研究出來后，憑借著輕質、高強、施工便捷的優勢，得到了快速的發展，尤其在大跨度鋼橋領域。但是，經歷了一定時期的發展，缺點也逐漸的暴露出來，其兩類典型問題[1]：

1)瀝青混凝土鋪裝層損壞；2)疲勞開裂。逐漸暴露的缺點，降低了橋梁結構的耐久性以及安全性，使其發展變緩[2]。

阻礙正交異性剛橋面板發展的最大問題就是疲勞問題，而輕型組合橋面板提出的基本出發點便是要消除這一問題。通過采用RPC這一超高強材料，可以有效的提高局部剛度來降低局部區域的應力幅值。

1　有限元模型的建立

1.1　研究對象

本文對新型大縱肋正交異性鋼—RPC組合橋面板的構造參數敏感性分析，主要參數有橫隔板間距、橫隔板厚度、鋼頂板厚度等。

結合正交異性組合橋面板最易出現疲勞裂紋的兩類構造細節[14,15]：

1)面板與U肋連接構造；2)橫肋與U肋連接構造細節；3)較為關注的橫撐位置。將上述三類構造作為抗疲勞設計的主要關注控制指標。

1.2　有限元模型的建立

現建立全橋整體仿真計算有限元模型，對橋面板抗疲勞設計進行初步計算，截面尺寸及車道立面布置圖如圖1所示，全橋節段模型如圖2所示。約束方式為兩端固結。RPC結構層采用8節點的Solid45單元模擬，正交組合鋼箱梁采用4節點Shell63單元，RPC與鋼橋面板頂板間采用共用節點方式模擬兩者間邊界條件。在縱隔板的支撐處采用Beam4梁單元。模型共866 320個單元、496 616個節點。

1.3　最不利加載位置的確定

考慮目前重車較多，因此在計算時將車輛橫向分布調整為a=±0.5 m左右，如圖3所示。

1.3.1橫隔板與U肋連接構造

每個車道進行加載后，將橫隔板與U肋連接構造在各橫向及縱向工況作用下的主拉應力對比結果繪制，如圖4所示。

由圖4可知，中間右起第12個橫隔板與U肋連接焊縫的地方出現最大主拉應力，數值為45.3 MPa。

1.3.2頂板與U肋連接構造

將頂板與U肋連接構造在各橫向及縱向工況作用下的主拉應力對比結果繪制，如圖5所示。

由圖5可知，右起第10個U肋與頂板連接焊縫處頂板最大主拉應力，數值為87.2 MPa。

1.3.3橫撐連接構造

將橫撐連接構造在各橫向及縱向工況作用下的主拉應力對比結果繪制，如圖6所示。

由圖6可知，左起第3個橫撐左支下端連接焊縫處橫撐連接細節出現最大主拉應力，數值為29.7 MPa。

2　構造參數敏感性分析

確定了橫向加載的最不利位置。以確定的橫向最不利加載位置為基礎，在橋的縱向進行加載。以疲勞車縱向應力歷程做對比，對橫隔板間距、頂板厚度和橫梁厚度等構造參數進行敏感性分析。

2.1　橫隔板間距

不同橫隔板間距對于結構的疲勞性能影響比較大，所以對于橫隔板間距，選取三個間距進行對比，即2 500 mm,2 750 mm,3 000 mm。

由圖7及表1對比結果可知，當橫隔板間距從3 000 mm變至2 750 mm時，各易損部位最大主應力降低了13%～30%左右。特別對于頂板與U肋連接構造處應力減低顯著(約32%)。由此顯示，減少橫隔板間距能有效改善橋面板及整體結構的疲勞性能。

2.2　橫隔板厚度

橫隔板的厚度也對其效果的發揮有一定的影響。本小節橫梁厚度選取14 mm,16 mm,18 mm,20 mm,22 mm。

表2　不同橫隔板厚度在各關注目標的最大主應力

橫梁厚度14 mm16 mm18 mm22 mm橫隔板與U肋連接61.49 MPa56.01 MPa50.44 MPa49.64 MPa頂板與U肋連接75.59 MPa74.32 MPa73.31 MPa73.01 MPa橫撐連接33.08 MPa32.79 MPa32.51 MPa31.71 MPa

由圖8及表2對比結果可以看出，橫隔板厚度從14 mm增加至22 mm時，對于頂板與U肋連接細節，橫隔板厚度的改變對其疲勞性能基本無影響，主要原因在于橫隔板對于該細節主要提供彈性支撐，兩相鄰橫隔板變形基本一致，橫隔板厚度改變時其與U肋的相對變形基本保持不變；對于橫隔板與U肋連接部位，最大主應力降低19%，橫隔板厚度增加會使其疲勞性能略有增強。

3　結語

1)對橫隔板間距，各關注目標細節均以橫梁間距為2 500 mm或2 750 mm較優，表明從理論上，減少橫梁間距能有效改善橋頂板及整體結構的疲勞性能。

2)隔板厚度從14 mm增加至22 mm時，各目標細節疲勞應力的提高不顯著；對于頂板與U肋連接細節，橫隔板厚度的改變對其疲勞性能基本無影響，主要原因在于橫隔板對于該細節主要提供彈性支撐，兩相鄰橫隔板變形基本一致，橫隔板厚度改變時其與U肋的相對變形基本保持不變；對于橫隔板與U肋連接部位，橫隔板厚度增加會使其疲勞性能略有增強。

3)當鋼頂板厚度由14 mm增至22 mm時，各目標細節最大主應力均有降低，特別是頂板與U肋連接構造處，但是對橫撐連接構造的影響不明顯。

4)通過本文的分析，我們可以看出，正交異性組合橋面板的合理結構型式可以有效降低其應力水平，改善結構的疲勞性能。建議該組合結構參數，橫隔板間距2 500 mm～2 750 mm，橫隔板厚度18 mm～22 mm，鋼頂板厚度18 mm～22 mm。