正交異性鋼橋面板U肋和橫隔板連接處面內外應力數值分析

王問筆

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 前 言

U肋和橫隔板的常用做法工藝有兩種，第一是橫隔板不開孔、U肋斷開形式，在U肋上開坡口焊接在橫隔板兩側；另一種是橫隔板開孔、U肋連續[1]。根據調研，近年國內外實際使用的正交異性鋼橋面板，以采用橫隔板開孔、U肋連續的形式為主，該連接處形式和工藝設計能有效降低U肋和橫隔板焊縫及周邊在服役期內的應力集中[2]。U肋和橫隔板連接處的剛度匹配是此處構造設計的重難點，U肋和橫隔板在荷載作用下的面內外應力值則是研究剛度匹配的依據。

1 U肋和橫隔板連接處疲勞裂紋成因分析

經統計，正交異性鋼橋面板疲勞裂紋中，U肋和橫隔板連接焊縫開槽處的疲勞裂紋最多，見圖1，占總量的38.2%。

圖1 U肋和橫隔板連接處疲勞裂紋

從疲勞裂紋的成因分析，可將此處產生的疲勞裂紋分為主應力引起的裂紋和面外變形產生次應力進而引起的裂紋。通過加厚鋪裝層厚度分散車輪壓力，增強鋪裝層和面板之間的連接，可有效改善主應力引起的疲勞裂紋。研究正交異性鋼橋面板U肋、橫隔板、頂板之間的剛度配比，同時改進焊縫施作的施工工藝水準，是當前改善面外變形次應力引起的疲勞裂紋的主要研究方向。

2 U肋和橫隔板連接處面內外應力

經比較，本文選取美國AASHTO規范[3]所推薦的橫隔板開孔形式，結合國內目前常用的U肋、橫隔板、頂板剛度比及開孔形狀，確定U肋、橫隔板和頂板尺寸如圖2所示，所建立的足尺實體模型如圖3所示。

圖2 本文開孔形式尺寸示意圖

圖3 足尺實體模型示意圖

為模擬單輪對橋面板受力和變形的影響，在本模型中對單輪荷載進行模擬，加載區域參照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D 60—2015)[4]中的車輛單輪荷載作用面積為300 mm×200 mm，另加上在50 mm厚度鋪裝層中按45°擴散的面積，修正車輛單輪加載面積為400 mm×300 mm。單位加載作用力為100 kN(10 t)。荷載將在模型頂板進行縱向和橫向的移動，如圖4所示。連接處U肋的三個典型考察點A、B、C和橫隔板典型考察點D的面內外應力值如表1所示。

圖4 單輪荷載加載示意圖

表1 最不利加載工況下各考察點面內外應力值

在最不利加載位置時，U肋各考察點的面內外應力相當，橫隔板的應力考察點面內應力遠大于面外應力。在此工況下，U肋泊松效應在連接處產生的彎曲次應力和偏載導致的U肋扭轉次應力在U肋和橫隔板連接處耦合，此時的應力值為最大，此時的U肋變形如圖5所示。

圖5 最不利工況下U肋及橫隔板連接處變形示意

由圖5可看出，U肋發生了較大的面外變形(扭轉)，由于橫隔板整體剛度大，因此面外撓曲的現象并未顯著出現。同時，由于U肋發生較大扭轉，疊加U肋壁板在橫隔板焊縫處的泊松效應，明顯的結構性應力集中現象在開孔處焊趾出現。

3 結 論

1)當車輪荷載作用在U肋或橫隔板正上方時(正載)，應力考察點A、C處的應力較小，U肋與橫隔板連接處受力主要為橫隔板對U肋的支撐效應，應力以協同變形作用下，U肋和橫隔板在各自面內產生的彎曲應力[5]，以及連接焊縫因為U肋壁板泊松效應，在U肋壁板面外產生的彎曲次應力為主，隨著荷載縱向移動，在U肋與橫隔板連接處，橫隔板產生偏載，由于焊縫對U肋的約束，U肋壁板產生相對于橫隔板面外的彎曲次應力，此時連接處應力以一次效應增長，U肋的面內應力與面外應力增幅相近，而橫隔板面內應力保持增長，面外應力絕對值保持較低。

2)當車輪荷載從初始位置橫向移動時，U肋逐漸開始受到偏載效應，而橫隔板則一直承受的正載效應。當U肋正上方承受車輪荷載時，U肋至在第一、第二體系下產生豎向位移，盡管存在泊松效應，使得此處U肋面內外應力耦合，但此時U肋應力考察點處應力數值仍偏低；當荷載往右邊開始橫向移動，U肋同時發生豎向位移和扭轉，在連接焊縫處產生畸變，耦合應力隨著變形增大而逐漸增大。在荷載橫向移動過程之中，橫隔板面內應力保持穩定，面外應力保持低值；U肋的面內外應力比值一直接近于1.0，表明U肋此時由于橫隔板變形引起的面外彎曲次應力不大。

3)在最不利加載位置進行單點荷載加載時，U肋壁板面內變形的泊松效應和面外扭轉畸變所產生的次應力效應，在U肋與橫隔板連接焊趾處和正應力產生耦合，此時的應力最大，應力集中現象最嚴重。U肋上的考察點A,B,C面內外應力數值差異較小，而橫隔板考察點D的面內應力和面外應力差值較大，原因在于橫隔板自身剛度較大，面外變形較小；同時U肋考察點的應力較橫隔板上要大，和各自板厚關系較大。

經建立精細化ANSYS數值分析模型計算可得，U肋與橫隔板連接處，橫隔板應力主要為面內應力，這和橫隔板剛度較大，變形較小有關；U肋的面內應力和面外應力值差異較小，U肋的面外變形方向與橫隔板面內變形方向相同，設計時應根據此處應力和變形特征，對連接處U肋和橫隔板厚度(剛度)進行匹配計算。

4 結束語

本文通過建立精細化ANSYS實體元模型，在單輪荷載沿頂板雙向移動時，U肋關鍵觀察點A、B、C和橫隔板關鍵觀察點D壁板兩側的主拉應力值進行了理論數值分析，針對單輪何在雙向移動過程中，壁板兩側應力的變化及其分解出的面內外應力值的變化，對引起面內外變化的原因進行了分析，所得結果可為今后相關研究設計提供參考。

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