鞠曉臣，王 磊

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

一公鐵兩用橋，鐵路橋面系為與弦桿焊接的箱型結構體系，其頂板與底板均為正交異性橋面板，本文結合鐵路荷載的特點對這一復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，掌握復雜公路荷載工況下焊接處的應力分布。

正交異性橋面板 數(shù)值分析 優(yōu)化

一長江大橋結合長三角城際鐵路、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肋角焊縫連接構造的疲勞性能直接關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，在構件厚度的選擇和匹配、焊接質量等方面需要嚴格控制。我國目前還沒有正式出版的正交異性鋼橋面板設計規(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件的厚度、U肋形式、隔板間距及構件之間的匹配性。為更好地掌握該公鐵兩用橋正交異性橋面板的力學機理以及疲勞性能，本文結合公鐵路橋面系各自的荷載特點、受力方式及構造形式，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力分布及焊接部位的應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構。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設置一道隔板，隔板厚度為16 mm，隔板兩側采用對稱布置的豎向和水平加勁肋，隔板中部設有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力分布?？梢?車軸荷載作用正下方應力相對集中，而無車軸荷載作用的面板區(qū)域應力值迅速減小;集中區(qū)域應力呈蝴蝶翅膀狀分布，兩翅膀關于縱梁腹板所在垂直面對稱;在橫隔板正上方的應力呈四葉花瓣形狀分布，且應力值相比蝴蝶狀分布區(qū)域集中應力值小;對比縱橫向應力，縱向應力明顯小于橫向應力，面板最大橫向應力為110.2 MPa。分析結果顯示中—活載普通活載集中力作用下，橋面底板縱橫向應力分布范圍和應力值都相對較小，縱梁下翼緣最大拉應力為16.9 MPa，車軸荷載作用正下方腹板上側(除與橫梁交錯位置處)壓應力較其他區(qū)域大，應力值為－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力分布。可見:橫梁整體受力較小，過肋過孔存在應力集中，且底板U肋過孔大于頂板U肋過孔，應力均在60 MPa以下;U肋與橫梁連接處應力值較大，頂板U肋最大應力為31.7 MPa，底板U肋最大應力為22.6 MPa，其它部位U肋應力值較小;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力比后者略大，應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力及分布的影響不明顯。

表1是鐵路橋面系各部件最大應力。最大應力出現(xiàn)在中—活載特種活載作用下的橋面板上與U肋焊接處，橫向集中應力為125.3 MPa。橋面板與U肋焊接構造的名義橫向應力幅約為30.0 MPa，滿足疲勞設計要求。其它各個構造部位受力較小，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構。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。為了真實反應結構的局部受力情況，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肋側方和兩U肋之間，見圖8(b)。

2.3 分析結果

圖9為荷載作用在3#U肋正上方時橫截面應力，表2為不同加載位置下焊縫處最大應力。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力集中，量值相對較小，最大應力均在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，在焊接施工時應嚴格控制質量。

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力(單位:MPa)

表2 不同加載位置下焊縫處最大應力 MPa

圖10為荷載作用在3#U肋時橫梁應力云圖。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力相對較小，大部分區(qū)域應力＜10 MPa。橫梁與U肋的焊縫趾端存在應力集中，但是應力相對較小，最大不超過30 MPa。

圖10 荷載作用在3#U肋橫梁應力云圖(單位:MPa)

公路橋面系中，橋面板與U肋焊接處名義應力幅約為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)名義應力幅度均在10 MPa以下，均可滿足疲勞設計要求。

2.4 橫梁過孔形狀對比分析

設計中橫梁過U肋孔采用兩種不同的結構形式，見圖11。由于結構形式的差異，必然導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肋孔形狀外其它結構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肋孔構造焊接端部的最大應力。在橫梁無面外彎曲的情況下兩類過U肋孔的應力值相差不大，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肋焊接的根部部應力很小。導致橫梁與U肋焊接的根部應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)域為應力流的盲區(qū)，周圍應力很難流向這個小區(qū)域，致使焊接根部應力很小。二類橫梁過U肋孔焊接端部區(qū)域應力的最大值出現(xiàn)在橫梁與U肋焊縫根部。若焊接質量較差，則容易產(chǎn)生疲勞裂紋。從這個角度分析，一類橫梁過U肋孔構造形式優(yōu)于二類。

表3 兩種類型過U肋孔附近應力 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肋孔焊接端部的應力分布(單位:MPa)

3 結論

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力大致接近，總體來說其荷載效應大于中—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，橫向應力為125.3 MPa。焊接施工時須嚴格控制焊接質量，避免操作不當引起應力集中，進而導致裂紋的產(chǎn)生。

在疲勞車輛荷載模型作用下，公路橋面系各構件的應力均在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力集中均比較明顯。

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(責任審編 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