正交異性橋面板的數(shù)值分析及優(yōu)化

鞠曉臣，王 磊

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．中國建筑設(shè)計院有限公司，北京 100044)

正交異性橋面板的數(shù)值分析及優(yōu)化

鞠曉臣1，王 磊2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．中國建筑設(shè)計院有限公司，北京 100044)

一公鐵兩用橋，鐵路橋面系為與弦桿焊接的箱型結(jié)構(gòu)體系，其頂板與底板均為正交異性橋面板，本文結(jié)合鐵路荷載的特點對這一復(fù)雜的橋面體系的受力機理進行研究。對公路橋面則更注重于構(gòu)造細節(jié)分析，采用實體有限元，考慮面板與U肋焊接熔透深度以及U肋與橫梁焊接端部形狀，對公路橋面系進行精細有限元分析，掌握復(fù)雜公路荷載工況下焊接處的應(yīng)力分布。

正交異性橋面板 數(shù)值分析 優(yōu)化

一長江大橋結(jié)合長三角城際鐵路、公路通道規(guī)劃，按四線鐵路和六車道高速公路進行設(shè)計，全長11.076 3 km，由正橋和南北引橋組成，主航道采用主跨1 092 m鋼桁梁斜拉橋方案。

主航道橋公鐵路橋面系采用的是正交異性鋼橋面板，雖然鋼橋面板在我國使用的時間不長，但是已經(jīng)在某些橋中發(fā)現(xiàn)了疲勞開裂的現(xiàn)象［1-5］。尤其是 U肋角焊縫連接構(gòu)造的疲勞性能直接關(guān)系到橋面鋪裝層的耐久性，一旦疲勞開裂，多數(shù)裂紋會沿面板厚度方向擴展，并穿透鋪裝層，影響行車安全。這類疲勞裂紋在日常檢查中較難發(fā)現(xiàn)，且維修周期較長，費用較高。因此，在構(gòu)件厚度的選擇和匹配、焊接質(zhì)量等方面需要嚴(yán)格控制。我國目前還沒有正式出版的正交異性鋼橋面板設(shè)計規(guī)范，主要依據(jù)歐美和日本的規(guī)范［6-8］確定正交異性橋面板各構(gòu)件的厚度、U肋形式、隔板間距及構(gòu)件之間的匹配性。為更好地掌握該公鐵兩用橋正交異性橋面板的力學(xué)機理以及疲勞性能，本文結(jié)合公鐵路橋面系各自的荷載特點、受力方式及構(gòu)造形式，建立局部有限元分析模型，對不同類型荷載作用下橋面板的應(yīng)力分布及焊接部位的應(yīng)力集中進行計算分析。

1 鐵路橋面系有限元分析

鐵路橋面系采用與弦桿焊接的整體鋼箱橋面結(jié)構(gòu)。鐵路橋面鋼箱頂板厚度分別為16，20和24 mm三種，采用寬300 mm、高280 mm、板厚8 mm的U肋，U肋間距為600 mm，在軌道處設(shè)置倒T形縱梁，縱梁高度為600 mm、腹板厚度20 mm，翼緣寬度300 mm，厚16 mm。鋼箱底板厚度16 mm，采用寬350 mm、高250 mm、板厚8 mm的U肋，U肋間距為700 mm。橋面系鋼箱每隔 2.8 m設(shè)置一道隔板，隔板厚度為16 mm，隔板兩側(cè)采用對稱布置的豎向和水平加勁肋，隔板中部設(shè)有0.7 m×1.0 m的過人孔。

1.1 有限元模型

選取三節(jié)段(半幅，寬14×3=42 m)鐵路橋面系進行有限元分析。采用ABAQUS建立有限元模型，各部件均采用殼單元和實際厚度，模型見圖1。鋼材彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。對于重點部位如橋面板與U肋連接處以及橫梁與U肋連接處將網(wǎng)格細化，有限元尺寸控制在5～10 mm，在節(jié)點處施加約束。

1.2 荷載工況

橋面系有限元計算的荷載選擇設(shè)計圖式下的集中力荷載，包括:中—活載普通活載集中力荷載、中—活載特種活載和中—活載(2005)特種活載，見圖2。

模型中荷載按照最不利情況施加:集中力荷載按照1∶2擴散角度從道砟擴散到橋面板，道砟高度350 mm，每個集中力擴散到橋面時為350 mm×350 mm的正方形面荷載。

圖2 活載類型及活載實際施加方式

1.3 計算結(jié)果分析

圖3為中—活載普通活載集中力作用下橋面頂板縱橫向應(yīng)力分布?？梢?車軸荷載作用正下方應(yīng)力相對集中，而無車軸荷載作用的面板區(qū)域應(yīng)力值迅速減小;集中區(qū)域應(yīng)力呈蝴蝶翅膀狀分布，兩翅膀關(guān)于縱梁腹板所在垂直面對稱;在橫隔板正上方的應(yīng)力呈四葉花瓣形狀分布，且應(yīng)力值相比蝴蝶狀分布區(qū)域集中應(yīng)力值小;對比縱橫向應(yīng)力，縱向應(yīng)力明顯小于橫向應(yīng)力，面板最大橫向應(yīng)力為110.2 MPa。分析結(jié)果顯示中—活載普通活載集中力作用下，橋面底板縱橫向應(yīng)力分布范圍和應(yīng)力值都相對較小，縱梁下翼緣最大拉應(yīng)力為16.9 MPa，車軸荷載作用正下方腹板上側(cè)(除與橫梁交錯位置處)壓應(yīng)力較其他區(qū)域大，應(yīng)力值為－21.8 MPa。

圖3 中—活載普通活載集中力作用下橋面頂板應(yīng)力分布(單位:MPa)

圖4為中—活載普通活載集中力作用下橫梁最大主應(yīng)力分布?？梢?橫梁整體受力較小，過肋過孔存在應(yīng)力集中，且底板U肋過孔大于頂板U肋過孔，應(yīng)力均在60 MPa以下;U肋與橫梁連接處應(yīng)力值較大，頂板U肋最大應(yīng)力為31.7 MPa，底板U肋最大應(yīng)力為22.6 MPa，其它部位U肋應(yīng)力值較小;車軸荷載作用在兩橫隔板跨中時，跨中U肋底面的縱向應(yīng)力值較小，為9.0 MPa。

圖4 中—活載普通活載集中力作用下橫梁最大主應(yīng)力分布(單位:MPa)

特種活載集中力為250 kN，大于中—活載普通活載集中力(220 kN)，前者作用下橋面板局部最大應(yīng)力比后者略大，應(yīng)力分布情況基本相似。

中—活載特種活載集中力作用下1.5 m的縱向軸間距較中—活載(2005)特種活載1.4 m的縱向軸間距，對鐵路橋面系局部應(yīng)力及分布的影響不明顯。

表1是鐵路橋面系各部件最大應(yīng)力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在中—活載特種活載作用下的橋面板上與U肋焊接處，橫向集中應(yīng)力為125.3 MPa。橋面板與U肋焊接構(gòu)造的名義橫向應(yīng)力幅約為30.0 MPa，滿足疲勞設(shè)計要求。其它各個構(gòu)造部位受力較小，均滿足疲勞要求。

表1 鐵路橋面系各部件最大應(yīng)力 MPa

2 公路橋面系有限元分析

公路橋面系采用與弦桿焊接的正交異性橋面板結(jié)構(gòu)。依據(jù)截面受力的不同，公路橋面板厚度分為16和20 mm兩種，布置寬300 mm、高280 mm、板厚8 mm的U肋，U肋間距為600 mm，橋面每隔2.8 m設(shè)置一道橫梁，橫梁腹板高度為1 400 mm，厚度16 mm，底板寬480 mm，厚度為24 mm，腹板兩側(cè)采用對稱布置的豎向加勁肋。

2.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件建立8節(jié)點實體有限元模型，如圖5所示。為了真實反應(yīng)結(jié)構(gòu)的局部受力情況，建立橋面板與U肋之間的焊縫，焊縫熔透深度為U肋厚度的75%，焊接處的有限元尺寸控制在1 mm左右。模型橫梁兩端為豎向約束，其它邊界為柔性彈簧約束。

圖5 公路橋面系有限元模型

2.2 加載工況

公路正交異性鋼橋面的車輛加載模型見圖6，輪胎著地面積見圖7。

圖6 正交異性鋼橋面板車輛加載模型

圖7 輪胎著地面積

縱向加載位置包括兩橫梁1/2跨、1/4跨和橫梁正上方三種，見圖8(a)。橫向加載位置包括U肋正上方、U肋側(cè)方和兩U肋之間，見圖8(b)。

2.3 分析結(jié)果

圖9為荷載作用在3#U肋正上方時橫截面應(yīng)力，表2為不同加載位置下焊縫處最大應(yīng)力。從圖9及表2可知，在車輛荷載作用下，橋面板與U肋焊縫的焊根與焊趾處存在明顯的應(yīng)力集中，量值相對較小，最大應(yīng)力均在60 MPa以下。從正交異性橋面板以往的病害情況來看，這兩個部位是橋面板裂紋的主要起源點，尤其是焊根部位，在焊接施工時應(yīng)嚴(yán)格控制質(zhì)量。

圖8 車輛加載位置

圖9 荷載作用在3#U肋正上方時橫截面應(yīng)力(單位:MPa)

表2 不同加載位置下焊縫處最大應(yīng)力 MPa

圖10為荷載作用在3#U肋時橫梁應(yīng)力云圖。從圖10及表2可以看出，在不同縱向加載位置橫梁上局部應(yīng)力相對較小，大部分區(qū)域應(yīng)力＜10 MPa。橫梁與U肋的焊縫趾端存在應(yīng)力集中，但是應(yīng)力相對較小，最大不超過30 MPa。

圖10 荷載作用在3#U肋橫梁應(yīng)力云圖(單位:MPa)

公路橋面系中，橋面板與U肋焊接處名義應(yīng)力幅約為13.0 MPa，按照最不利系數(shù)驗算，亦能夠滿足疲勞設(shè)計要求。U肋與橫梁焊接處以及U肋嵌補端部位(U肋對接處)名義應(yīng)力幅度均在10 MPa以下，均可滿足疲勞設(shè)計要求。

2.4 橫梁過孔形狀對比分析

設(shè)計中橫梁過U肋孔采用兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，見圖11。由于結(jié)構(gòu)形式的差異，必然導(dǎo)致受力性能存在差異，對其進行了比較。有限元模型為8節(jié)點實體模型，兩模型除橫梁過U肋孔形狀外其它結(jié)構(gòu)形式和有限元尺寸均一致，加載橫向位置同圖8(b)，除了橫梁正上方外，在橫梁偏心位置的U肋正上方也進行了加載驗證。

表3給出了兩種過U肋孔構(gòu)造焊接端部的最大應(yīng)力。在橫梁無面外彎曲的情況下兩類過U肋孔的應(yīng)力值相差不大，且都比較小。橫梁在面外荷載作用下過U肋孔焊接端部的應(yīng)力值相差較多。從受力最大值來看，兩類過U肋孔相差不大。從應(yīng)力分布云圖(圖12)可以看出，一類橫梁過U肋孔焊接端部區(qū)域的最大應(yīng)力是出現(xiàn)在橫梁過孔過渡圓弧上，而橫梁與U肋焊接的根部部應(yīng)力很小。導(dǎo)致橫梁與U肋焊接的根部應(yīng)力很小的原因主要是過U肋孔端部特殊的形狀。由于端部有一個凸出部分，這個小區(qū)域為應(yīng)力流的盲區(qū)，周圍應(yīng)力很難流向這個小區(qū)域，致使焊接根部應(yīng)力很小。二類橫梁過U肋孔焊接端部區(qū)域應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在橫梁與U肋焊縫根部。若焊接質(zhì)量較差，則容易產(chǎn)生疲勞裂紋。從這個角度分析，一類橫梁過U肋孔構(gòu)造形式優(yōu)于二類。

表3 兩種類型過U肋孔附近應(yīng)力 MPa

圖11 橫梁過U肋孔有限元模型

圖12 橫梁面外彎曲下過U肋孔焊接端部的應(yīng)力分布(單位:MPa)

3 結(jié)論

在中—活載特種活載與中—活載(2005)特種活載作用下，鐵路橋面系的局部應(yīng)力大致接近，總體來說其荷載效應(yīng)大于中—活載普通活載集中力。在這3種荷載作用下，鐵路橋面系各部件應(yīng)力由大到小依次為:頂板(110～125 MPa)、橫梁(59～67 MPa)、U肋(29～33 MPa)、縱梁(17～23 MPa)、底板(18～21 MPa)。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在中—活載特種活載作用下的橋面板上與U肋焊接處，橫向應(yīng)力為125.3 MPa。焊接施工時須嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，避免操作不當(dāng)引起應(yīng)力集中，進而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

在疲勞車輛荷載模型作用下，公路橋面系各構(gòu)件的應(yīng)力均在60 MPa以下。荷載不同的橫向位置作用下，橋面板與U肋焊接處焊根和焊趾應(yīng)力集中均比較明顯。

［1］錢冬生．鋼橋疲勞設(shè)計［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，1986．

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［3］李小珍，任偉平．現(xiàn)代鋼橋新型結(jié)構(gòu)型式及其疲勞問題分析［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2006，21(5):50-55．

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(責(zé)任審編 李付軍)

U443.32

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．01

2015-01-25;

2015-04-16

鞠曉臣(1982— )，男，山東青島人，助理研究員，博士。

1003-1995(2015)08-0001-04