斜拉橋鋼箱梁縱隔板對鋼橋面板受力性能的影響研究

楊健 李明輝 崔建偉 王昊

（1.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司 浙江寧波 315000；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院江蘇南京 210000）

鋼箱梁具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)自重小、抗風(fēng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在大跨徑纜索支承橋梁中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。鋼橋面板直接承受輪載作用，局部構(gòu)造復(fù)雜，在循環(huán)荷載作用下，易出現(xiàn)疲勞裂紋［3-4］。大跨徑斜拉橋主梁通常采用鋼箱梁的構(gòu)造形式，斜拉橋鋼箱梁承受較大的軸向力，為改善鋼箱梁受力，通常布置內(nèi)部縱向橫隔板，簡稱為縱隔板［5］。

縱隔板能夠增強(qiáng)鋼箱梁的抗彎、抗剪和抗扭能力，減小橋面板產(chǎn)生的局部變形，增強(qiáng)鋼箱梁的安全儲備［6］。根據(jù)有關(guān)規(guī)范及技術(shù)資料分析，設(shè)置縱隔板的箱梁的有效寬度要比無縱隔板時增加30%（在支點(diǎn)處）［7］。但在橋梁運(yùn)營一段時間之后，往往發(fā)現(xiàn)空腹式縱隔板腹桿與節(jié)點(diǎn)板連接處出現(xiàn)裂紋［8］。縱隔板位于重車道與快車道之間，兩側(cè)橫隔板-U肋圍焊位置受到的車輛荷載循環(huán)作用最大，有必要開展研究。

本文建立了正交異性鋼橋面板的節(jié)段有限元模型，通過對比有無縱隔板時橫隔板圍焊端、弧形缺口及焊趾應(yīng)力，分析了縱隔板對鋼箱梁典型疲勞細(xì)節(jié)受力性能的影響；通過提取縱隔板兩側(cè)各U 肋焊縫主拉應(yīng)力，分析了縱隔板對局部初始應(yīng)力的影響范圍。

1 有限元分析

鋼橋面板頂板、鋪裝層、橫隔板、U 肋厚度分別為16mm、60mm、10mm 和8mm，相鄰橫隔板間距3.75m，相鄰U肋間距600mm?？v隔板厚度10mm，位于第五根與第六根U肋之間。鋼橋面板材料采用Q345qD鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；鋪裝層彈性模量為1000MPa，泊松比為0.3。模型全局網(wǎng)格尺寸為50mm，子模型全局尺寸為20mm，網(wǎng)格加密尺寸為1mm。模型約束橫隔板邊界的所有平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度，約束頂板、U肋和縱隔板邊界的所有平動自由度，鋼橋面板節(jié)段模型如圖1所示。

圖1 鋼橋面板節(jié)段模型

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）中提出的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載模型，標(biāo)準(zhǔn)疲勞車每根軸重120kN，單側(cè)車輪軸載為60kN，荷載作用面積為600mm（橫向）×200mm（縱向），且荷載集度為0.5MPa。荷載作用位置如圖2所示。利用FORTRAN編制DLOAD子程序進(jìn)行車輪加載，橫橋向作用在縱隔板右側(cè)3 根U肋的正上方，縱橋向作用在3道橫隔板之間，從橫隔板A向橫隔板C移動，設(shè)置51個荷載分析步，荷載步步長為150mm。

圖2 荷載工況

2 縱隔板對鋼橋面板受力的影響

2.1 最大主應(yīng)力分析

分別提取是否設(shè)置縱隔板時靠近縱隔板位置第二根U肋的遠(yuǎn)離縱隔板側(cè)的U肋焊縫圍焊端焊趾的最大主應(yīng)力，如圖3所示。圍焊端的兩條主應(yīng)力曲線變化形式基本一致，是否設(shè)置縱隔板對圍焊端主應(yīng)力最不利荷載位置及主應(yīng)力分布沒有影響，圍焊端的初始應(yīng)力差12MPa，應(yīng)力峰值差15MPa。因此，縱隔板由于承擔(dān)斜拉橋鋼箱梁軸向壓力疊加的作用，在構(gòu)造細(xì)節(jié)位置產(chǎn)生了較大的初始應(yīng)力，但縱隔板對研究細(xì)節(jié)僅在車輪荷載作用下產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力影響較小，可以忽略不計(jì)。設(shè)置縱隔板時，橫隔板U 肋焊縫圍焊端的主應(yīng)力幅及平均應(yīng)力為56MPa和78MPa；而未設(shè)縱隔板時，其主應(yīng)力幅及平均應(yīng)力為54MPa 和65MPa。因此，縱隔板提高了圍焊端的平均應(yīng)力，但對主拉應(yīng)力幅的影響可忽略不計(jì)。

圖3 圍焊端最大主應(yīng)力

分別提取是否設(shè)置縱隔板時第二根U肋遠(yuǎn)離縱隔板側(cè)橫隔板-U 肋弧形缺口凈截面最小處的最大主壓應(yīng)力，如圖4所示。是否設(shè)置縱隔板對圍焊端主應(yīng)力最不利荷載位置及主應(yīng)力分布沒有影響。不設(shè)縱隔板時，弧形缺口的初始應(yīng)力與設(shè)置縱隔板時應(yīng)力峰值差6MPa。由此可知，縱隔板降低了該點(diǎn)的初始應(yīng)力水平，但由于斜拉橋鋼橋面板弧形缺口位置的初始應(yīng)力本身應(yīng)力值較小，因此，是否設(shè)置縱隔板對弧形缺口位置的影響可忽略不計(jì)。

圖4 弧形缺口主壓應(yīng)力

為研究是否設(shè)置縱隔板時弧形缺口的應(yīng)力幅及平均應(yīng)力，設(shè)置縱隔板時的主應(yīng)力幅及平均應(yīng)力為-58MPa 和-31MPa，而未設(shè)縱隔板時其主應(yīng)力幅及平均應(yīng)力為-60MPa 和-39MPa。設(shè)置縱隔板，降低了弧形缺口的平均應(yīng)力，但對主壓應(yīng)力幅的影響可以忽略不計(jì)。

分別提取是否設(shè)置縱隔板時第二根U肋遠(yuǎn)離縱隔板側(cè)橫隔板-U肋焊縫U肋焊趾的最大主壓應(yīng)力，如圖5所示。U 肋焊趾的兩條主應(yīng)力曲線變化形式基本一致，是否設(shè)置縱隔板對圍焊端主應(yīng)力最不利荷載位置及主應(yīng)力分布沒有影響。

圖5 U 肋焊趾主拉應(yīng)力

2.2 影響范圍分析

研究區(qū)域位于距離縱隔板的第二根U 肋遠(yuǎn)端，橫向距離約為1m，中間相隔3 處橫隔板-U 肋焊縫細(xì)節(jié)，1.5 根U 肋。考慮到正交異性鋼橋面板局部受力復(fù)雜且應(yīng)力影響線短，縱隔板對于輪載作用下的疲勞應(yīng)力影響范圍可能到達(dá)不了研究區(qū)域，若僅考慮縱隔板對初始應(yīng)力的影響，無法準(zhǔn)確地反映出縱隔板的影響范圍和影響機(jī)理，因此，需就初始應(yīng)力及構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力分別進(jìn)行縱隔板影響范圍分析。

對于縱隔板對構(gòu)造細(xì)節(jié)初始應(yīng)力的影響，選取初始應(yīng)力最大的橫隔板-U 肋圍焊端靠近橫隔板焊趾位置的初始應(yīng)力，以縱隔板為中心，重車道位置提取5根U肋，交換車道提取3根U肋，共計(jì)16個構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力提取點(diǎn)，是否設(shè)置縱隔板的初始主拉應(yīng)力如圖6所示。在不設(shè)置縱隔板情況下，圍焊端的初始主拉應(yīng)力基本保持在同一水平，其疲勞性能的差異僅與車輛荷載作用位置有關(guān)；在設(shè)置縱隔板時，以縱隔板為界，靠近縱隔板側(cè)的圍焊端初始主拉應(yīng)力較小，而遠(yuǎn)離縱隔板側(cè)的初始主拉應(yīng)力較大，縱隔板兩側(cè)的圍焊端主拉應(yīng)力最大值接近70MPa，最小值不足10MPa，主應(yīng)力差異明顯。同時，在靠近縱隔板的2 根U 肋范圍內(nèi)存在初始應(yīng)力較大的情況，而2根外的U肋，其兩側(cè)圍焊端的初始應(yīng)力差較小，可忽略不計(jì)。因此，縱隔板對圍焊端初始應(yīng)力的影響范圍為縱隔板兩側(cè)各2根U肋范圍內(nèi)。

圖6 縱隔板對初始應(yīng)力影響范圍

為研究相同荷載工況下橫橋向不同位置橫隔板-U肋焊縫圍焊端的疲勞應(yīng)力情況，將車輪荷載分別作用在靠近縱隔板位置的3 根U 肋6 處圍焊端細(xì)節(jié)正上方，提取各點(diǎn)的應(yīng)力時程如圖7所示。除了最靠近縱隔板的圍焊端細(xì)節(jié)，其余位置的主拉應(yīng)力曲線變化形式基本一致，其應(yīng)力峰值差與初始應(yīng)力差基本一致，因此，縱隔板對這5 處圍焊端細(xì)節(jié)疲勞性能的影響可以忽略不計(jì)。對于最靠近縱隔板的圍焊端細(xì)節(jié)，其初始應(yīng)力為8MPa，應(yīng)力峰值僅為29MPa，當(dāng)荷載作用在橫隔板正上方時，應(yīng)力值較小，低于兩側(cè)工況下的主應(yīng)力，并且當(dāng)荷載靠近橫隔板上方時，圍焊端的主應(yīng)力變化劇烈。因此，縱隔板提高了其兩側(cè)圍焊端細(xì)節(jié)的疲勞性能，降低了此位置萌生疲勞裂紋的可能，與實(shí)橋此處裂紋數(shù)量較少現(xiàn)象相符合。

圖7 縱隔板對疲勞應(yīng)力影響范圍

3 結(jié)論

本文考慮斜拉橋鋼橋面板縱隔板特殊構(gòu)造，在ABAQUS中建立考慮斜拉橋鋼橋面板初始應(yīng)力的對比分析模型，研究斜拉橋縱隔板對鋼橋面板疲勞細(xì)節(jié)受力性能的影響，結(jié)論如下。

（1）縱隔板構(gòu)造對研究區(qū)域各構(gòu)造細(xì)節(jié)受力性能的影響主要體現(xiàn)在對初始應(yīng)力的影響，增大了圍焊端的初始應(yīng)力，降低了弧形缺口的初始應(yīng)力，對U肋焊趾的影響可以忽略不計(jì)。

（2）縱隔板構(gòu)造對易疲勞細(xì)節(jié)初始應(yīng)力的影響范圍在其左右兩側(cè)2根U肋范圍內(nèi)。

（3）縱隔板僅提高了其兩側(cè)1 根U 肋靠近縱隔板位置橫隔板-U肋焊縫末端的疲勞性能，降低了這兩處疲勞開裂的可能，與實(shí)橋此位置裂紋少的現(xiàn)象一致。