徐漢江

（蘇州市航道管理處，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

鋼箱梁以其結(jié)構(gòu)自重小、受力性能好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)在大型纜索支承橋梁上得到廣泛應(yīng)用。正交異性鋼橋面板是鋼箱梁結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，由頂板、縱肋與橫肋三部分組成，主要采用焊接方式連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中等問題突出［1-2］。正交異性鋼橋面板在車輛荷載的長(zhǎng)期作用下，頂板、橫隔板與U肋焊接等部位容易出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致鋼箱梁結(jié)構(gòu)性能退化，影響橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期間的安全性、耐久性［3-4］。因此，確定合理的計(jì)算模型準(zhǔn)確分析正交異性鋼橋面板在運(yùn)營(yíng)期間的疲勞受力情況十分必要。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)正交異性鋼橋面板的受力計(jì)算模型進(jìn)行了研究，周緒紅［5］等以青島海灣大橋紅島航道橋?yàn)槔龑?duì)正交異性鋼橋面板在3種基本受力體系下的力學(xué)特性進(jìn)行了分析。徐軍［6］等在鋼橋面板靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了簡(jiǎn)化受力計(jì)算模型，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。本文以南京長(zhǎng)江三橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立鋼箱梁整體混合單元模型和正交異性鋼橋面板簡(jiǎn)化計(jì)算模型，研究在車輪荷載作用下易出現(xiàn)疲勞裂紋位置的受力特性，對(duì)兩種模型下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出適合于正交異性鋼橋面板疲勞受力分析的計(jì)算模型。

2 車輪荷載確定

參考公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范［7］，車輪荷載的輪胎作用面積，單輪沿橫橋向、順橋向作用長(zhǎng)度分別取0.3 m與0.2 m，作用方式如圖1所示。車輪荷載值根據(jù)南京長(zhǎng)江三橋車流數(shù)據(jù)分析得到的疲勞車輛荷載模型確定［8］，疲勞車輛荷載模型如圖2所示，取后輪軸載140 kN，即車輪荷載70 kN。

圖1 車輪荷載作用方式

圖2 疲勞車輛荷載模型

3 兩種計(jì)算模型建立

3.1 鋼箱梁整體混合單元模型

正交異性鋼橋面板的3種基本受力體系：作為主梁截面的一部分承受車輛運(yùn)營(yíng)荷載（第一受力體系），鋼橋面板與縱、橫加勁肋組成橋面結(jié)構(gòu)（第二受力體系），支承在縱橫向加勁肋上的鋼橋面板直接車輪荷載（第三受力體系）。為了全面考慮3種基本受力體系中的影響，采用ANSYS建立鋼箱梁整體混合單元模型。選取跨中節(jié)段鋼箱梁進(jìn)行分析，鋼箱梁采用殼單元shell63模擬，其余位置的鋼箱梁、主塔采用梁?jiǎn)卧猙eam4模擬，拉索采用桿單元link10模擬［9］。假設(shè)主梁變形符合平截面假定，跨中節(jié)段鋼箱梁與相鄰鋼箱梁間建立剛域。全橋模型的邊界條件為：主塔、過渡墩及輔助墩底部6個(gè)自由度全部約束，主梁與主塔根據(jù)設(shè)計(jì)資料中約束關(guān)系采用主從耦合。跨中節(jié)段鋼箱梁模型網(wǎng)格尺寸為0.2 m，車輪加載位置進(jìn)行局部細(xì)化，

網(wǎng)格尺寸0.01 m×0.01 m。鋼材的彈性模量取為2.0×105MPa，泊松比取為0.3。圖3為鋼箱梁整體混合模型，圖4為鋼箱梁節(jié)段局部放大模型。

圖3 鋼箱梁整體混合單元模型

圖4 鋼箱梁節(jié)段局部放大模型

3.2 正交異性鋼橋面板簡(jiǎn)化計(jì)算模型

正交異性鋼橋面板橫向取7根U肋，縱向取6個(gè)橫隔板間距建立簡(jiǎn)化模型，如圖5所示。鋼橋面板采用殼單元shell63模擬。邊界條件為約束橫隔板的3個(gè)平動(dòng)自由度與3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束模型四周的3個(gè)平動(dòng)自由度。簡(jiǎn)化模型的網(wǎng)格尺寸為0.2 m，車輪加載位置局部加密網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.01 m×0.01 m。簡(jiǎn)化計(jì)算模型可以模擬鋼橋面板在第二、三受力體系的受力情況。

圖5 正交異性鋼橋面板簡(jiǎn)化模型

4 兩種模型計(jì)算結(jié)果分析

正交異性鋼橋面板頂板、橫隔板與U肋焊接部位容易出現(xiàn)疲勞裂紋。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦，并參考國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼橋面板疲勞損傷的調(diào)研分析［3，10］，本文取距離焊縫1.5 t（頂板厚度）的橫向應(yīng)力作為頂板與U肋焊接部位（以下稱頂板細(xì)節(jié)）疲勞應(yīng)力的參考指標(biāo)，取橫隔板與U肋連接位置、橫隔板削弱最大位置的主應(yīng)力作為橫隔板細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力參考指標(biāo)，如圖6所示。

圖6 疲勞應(yīng)力位置

圖7為頂板細(xì)節(jié)在兩種計(jì)算模型下分析得到的應(yīng)力影響線。橫隔板處、橫隔板間頂板細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響線形狀一致，橫向應(yīng)力值峰值明顯。與簡(jiǎn)化計(jì)算模型相比，混合單元模型分析得到的頂板細(xì)節(jié)橫向應(yīng)力值偏差在10.0%以內(nèi)，第一受力體系對(duì)頂板橫向受力影響不顯著。在橫隔板位置，兩種模型對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)力幅分別為96.40 MPa與92.67 MPa，偏差3.9%。在橫隔板間，兩種模型對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)力幅分別為40.53 MPa與39.43 MPa，偏差2.7%。

圖7 頂板細(xì)節(jié)應(yīng)力影響線

圖8 橫隔板細(xì)節(jié)應(yīng)力影響線

圖8為橫隔板細(xì)節(jié)1、2在兩種模型下分析得到的應(yīng)力影響線?；旌蠁卧Ｐ团c簡(jiǎn)化計(jì)算模型分析得到的應(yīng)力影響線基本相同，第一受力體系對(duì)橫隔板受力基本沒有影響。橫隔板細(xì)節(jié)1對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力幅分別為38.78 MPa與37.89 MPa，偏差2.3%。橫隔板細(xì)節(jié)2對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力幅分別為79.28 MPa與82.17 MPa，偏差3.6%。

由圖7、8可知，兩種模型分析得到的頂板細(xì)節(jié)、橫隔板細(xì)節(jié)應(yīng)力幅偏差均小于5.0%，可以認(rèn)為采用簡(jiǎn)化計(jì)算模型進(jìn)行鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的分析是合理有效的。頂板細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響范圍約為1 m，每次車輪荷載作用引起一次應(yīng)力循環(huán)。橫隔板細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響范圍約為4 m，軸距小于4 m的車輛，前后輪產(chǎn)生的應(yīng)力將出現(xiàn)疊加效應(yīng)。

5 結(jié)語

（1）通過建立鋼箱梁混合單元模型，全面考慮了3種受力體系對(duì)正交異性鋼橋面板受力的影響，并與簡(jiǎn)化計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。第一受力體系對(duì)頂板橫向受力、橫隔板受力影響不顯著。兩種模型計(jì)算得到的頂板細(xì)節(jié)、橫隔板細(xì)節(jié)應(yīng)力幅偏差均小于5.0%，可以認(rèn)為采用簡(jiǎn)化計(jì)算模型進(jìn)行鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的分析是合理有效的。

（2）車輪荷載作用下，頂板細(xì)節(jié)、橫隔板細(xì)節(jié)應(yīng)力影響線峰值明顯，頂板細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響范圍約為1m，每次車輪荷載作用引起一次應(yīng)力循環(huán)。橫隔板細(xì)節(jié)的應(yīng)力影響范圍約為4 m，軸距小于4 m的車輛，前后輪產(chǎn)生的應(yīng)力將出現(xiàn)疊加效應(yīng)。

［1］王春生，馮亞成.正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009，9（24）：9-13.

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