董建松

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001)

1 引言

自20 世紀(jì)40 年代問世以來，正交異性鋼橋面OSD(Orthotropic Steel Deck) 已經(jīng)成為現(xiàn)代鋼橋的重要構(gòu)件形式和主要標(biāo)志[1]。由于具有自重輕、承載力高、適用范圍廣等突出優(yōu)點， 正交異性鋼橋面板已經(jīng)成為大跨度橋梁的首選橋面板結(jié)構(gòu)，在中等跨度橋梁、景觀橋梁、梁高受到嚴(yán)格限制的城市和市政橋梁、 既有橋梁加固工程等條件下同樣具有較強的競爭力。 目前世界各國已建成的采用正交異性鋼橋面板的各類橋梁已超過1500 座，中國正在運營和規(guī)劃中的該類型橋梁數(shù)量已達(dá)200 余座， 該結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用大大推動了橋梁工程向大跨、 重載和結(jié)構(gòu)造型多樣化等方向發(fā)展[2]。

正交異性鋼箱梁主要由頂板、縱肋和橫隔板組成，受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[3-4]。正交異性鋼箱梁在車輛長期荷載作用下，在頂板、橫隔板以及縱肋連接的關(guān)鍵部位易出現(xiàn)疲勞損壞，從而影響橋梁的正常使用壽命。因此， 建立合理的計算模型分析正交異性鋼箱梁的受力狀態(tài)是十分必要的。

2 工程概況

長門特大橋是項目中重要的控制性工程， 主橋全長848m，結(jié)構(gòu)形式為(35+44+66)m+550m+(66+44+35)m 雙塔雙索面混合梁斜拉橋，如圖1 所示。邊跨采用混凝土箱梁中跨采用鋼箱梁，鋼與混凝土分界線距索塔中心線24m。主橋結(jié)構(gòu)為七跨對稱混合梁斜拉橋， 邊跨及主跨索塔附近為混凝土主梁，中跨大部分為鋼主梁。主梁中跨采用封閉扁平流線型鋼箱梁、邊跨采用混凝土箱梁，為單箱四室箱梁，雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。橋梁全寬38.5m(包括兩側(cè)斜拉索錨固區(qū)及風(fēng)嘴)，梁高3.2m，至索塔區(qū)縮窄為35.5m。

圖1 長門特大橋主橋立面布置圖

3 計算模型

3.1 有限元模型建立

首先采用橋梁結(jié)構(gòu)專用程序MIDAS Civil 對大橋進(jìn)行整體計算。整體分析有限元模型中，活載計算時斜拉索采用桁架單元模擬，加勁梁及塔、墩等構(gòu)件均采用空間梁單元模擬，主梁與拉索間的連接采用剛臂的方式實現(xiàn)。長門特大橋整體分析有限元模型如圖2 所示。 首先利用MIDAS 軟件分析得到橋梁整體模型的應(yīng)力和位移，然后利用abaqus 軟件建立橋梁的子結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示，單元類型采用殼單元，模型共有72510 個單元，92053 個結(jié)點。 然后將MIDAS 計算得到的位移作為abaqus 子結(jié)構(gòu)的邊界條件，進(jìn)行橋梁局部應(yīng)力有限元分析。

圖2 整體有限元模型

圖3 abaqus 子結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 計算參數(shù)

混凝土箱梁及主塔： 主塔及混凝土主梁采用C55 混凝土，容重γ=26kN/m3；彈性模量EC=3.55×104MPa。 鋼箱梁彈性模量為2.06×108kN/m2，泊松比0.3，斜拉索抗拉強度為1770MPa，彈性模量1.95×105MPa。

3.3 荷載及邊界條件

進(jìn)行整體模型分析時，斜拉索與主塔及主梁固結(jié)。塔梁固結(jié)， 主梁與輔助墩及過渡墩頂支座采用一般支座約束模擬。進(jìn)行局部詳細(xì)應(yīng)力分析時，將整體模型計算得到的位移作為子模型的邊界條件。

本模型僅考慮在車輛荷載作用下鋼箱梁的位移情況， 由于Midas Civil 軟件在分析車輛荷載結(jié)果時自動依據(jù)目標(biāo)節(jié)點位移的影響線的最不利位置來排布車輛荷載，僅能輸出目標(biāo)節(jié)點位移的最大或最小值，而不能同時輸出在目標(biāo)節(jié)點最不利情況下其他節(jié)點的位移情況。 故而需要利用軟件中 “將移動荷載工況轉(zhuǎn)化為靜力荷載工況”的功能，將某一結(jié)點位移最不利情況下所受的車輛荷載轉(zhuǎn)化為靜力荷載， 得到在橋身受相同荷載下各節(jié)點的位移。 本文取橋梁跨中節(jié)點位移的最不利情況所受的荷載作為分析的荷載，受力情況如圖4 所示：

圖4 模型加載示意圖

4 計算結(jié)果與分析

首先利用Midas 軟件對橋梁進(jìn)行整體受力分析，得到了橋梁的內(nèi)力和變形。 圖5 和圖6 分別給出了橋梁的整體變形圖和橋面的撓度曲線。從圖5 可以看出，橋梁整體模型中，橋面和立柱的變形較大。由于立柱兩側(cè)拉鎖受力不對稱，導(dǎo)致兩邊立柱產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的變形。從橋面的撓曲線圖可以看出， 從支座到跨中橋梁的豎向位移基本呈線性變化，整個橋梁的最大豎向位移發(fā)生在跨中位置，最大豎向位移為0.615m。

將上述Midas 計算位移結(jié)果作為abaqus 子模型的邊界條件，對橋梁局部進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。圖7 給出了橋面的mises 應(yīng)力分布，從圖中可以看出，橋面的最大應(yīng)力發(fā)生在分布、荷載作用線上，最大應(yīng)力達(dá)86.1MPa。 圖8 給出了輪軸線上的mises 應(yīng)力隨縱向位置的變化關(guān)系，從計算結(jié)果可以看出， 荷載作用線與橫隔板交界處應(yīng)力出現(xiàn)突變，橋面最大應(yīng)力發(fā)生在橫隔板外側(cè)。

圖5 橋梁整體邊形圖

圖6 橋面的撓度曲線

圖7 鋼橋面板mises 應(yīng)力分布圖

圖8 鋼橋面板mises 應(yīng)力隨縱向位置變化關(guān)系

圖9 給出了中間橫隔板和外側(cè)橫隔板的mises 應(yīng)力分布，從圖中可以看出，外側(cè)橫隔板的最大應(yīng)力發(fā)生在下方拐角處與底板接觸部位， 最大應(yīng)力為13.9MPa，橫隔板中間部位應(yīng)力較小，最小應(yīng)力為0.18MPa；內(nèi)側(cè)橫隔板的最大應(yīng)力發(fā)生在圓孔附近，最大應(yīng)力為9.8MPa，橫隔板兩側(cè)應(yīng)力較小，最小應(yīng)力值為0.39MPa。 橫隔板缺口處是一個關(guān)鍵部位， 因此對缺口處重新建立局部有限元模型， 對車輛經(jīng)過時車輪集中荷載作用進(jìn)行模擬，得到了缺口處的應(yīng)力分布如圖9 所示，會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9 橫隔板mises 應(yīng)力分布圖

圖10 給出了內(nèi)側(cè)橫隔板的正應(yīng)變分布圖，從圖中可以看出，橫隔板最大變形發(fā)生在與U 肋接觸部位，會產(chǎn)生拉伸變形，最大值為29.6×10-6；在開口附近會產(chǎn)生較大的壓縮變形，最大應(yīng)變值為21.2×10-6。 圖11 給出了縱肋頂板正應(yīng)變隨縱向位置變化圖，最大正應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，發(fā)生在橫隔板外側(cè)，最大值為307×10-6；在橫隔板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大拉應(yīng)變，最大拉應(yīng)變值為-94.6×10-6。

圖10 內(nèi)側(cè)橫隔板局正應(yīng)變

圖11 縱肋頂部應(yīng)變分布

圖12 縱肋mises 應(yīng)力分布

圖12 給出了集中荷載附近縱肋的mises 應(yīng)力分布，從計算結(jié)果個可以看出， 縱肋的最大應(yīng)力發(fā)生在與分布荷載作用線重合區(qū)域， 圖中給出了u 肋mises 應(yīng)力隨縱向位置的變化關(guān)系。 圖13(a)是縱肋底部應(yīng)力隨縱向位置變化規(guī)律，從圖中可以看出，U 肋底部最大應(yīng)力發(fā)生在與內(nèi)側(cè)橫隔板接觸部位，最大應(yīng)力為33.5MPa，最小應(yīng)力發(fā)生在集中力作用位置，最小應(yīng)力值為1.6MPa。 圖13(b)給出的是縱肋與橋面接觸位置mises 應(yīng)力隨縱向位置變化關(guān)系， 從圖中可以看出，u 肋頂部的最大mises 應(yīng)力發(fā)生在u 肋與橫隔板接觸部位，最大應(yīng)力達(dá)72.8MPa。 在集中力作用點附近出現(xiàn)最小應(yīng)力，最小應(yīng)力值為4.78MPa。

5 加固措施

由于鋼箱梁受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生疲勞破壞，從而影響車輛的安全，帶來較大的經(jīng)濟損失，因此有必要研究鋼箱梁的加固方法進(jìn)行研究總結(jié)。 目前國內(nèi)外對鋼箱梁加固方法有了一定的研究成果[5-7]，結(jié)合本研究前面得到的靜力學(xué)計算結(jié)果，對鋼箱梁提出如下加固措施：

(1)通過靜力分析可以看出，橋面與橫隔板接觸處產(chǎn)生最大應(yīng)力達(dá)86.1MPa。 因此為了使應(yīng)力分散，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以適當(dāng)減小橫隔板間距，并增加橫隔板附近區(qū)域橋面的厚度。

圖13(a)縱肋底部mises 應(yīng)力隨縱向位置變化關(guān)系

圖13(b)縱肋頂部mises 應(yīng)力隨縱向位置變化關(guān)系

(2)橫隔板人孔附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變，因此很容易在此區(qū)域產(chǎn)生疲勞破壞， 為了改善橫隔板的力學(xué)性能，可以在人孔附近加桁架支撐，以減小人孔附近的應(yīng)力和變形。

(3) 由于橫隔板缺口處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此可以考慮對缺口采用加強鋼板補強， 鋼板與橫隔板之間通過高強度螺栓連接。

6 結(jié)語

建立了長門特大橋全橋模型以及子結(jié)構(gòu)模型， 分析了在車輛荷載作用下橋的局部詳細(xì)應(yīng)力， 得到了橋的最大應(yīng)力發(fā)生部位， 該計算結(jié)果可以為橋梁的疲勞分析和加固方案提供一定的依據(jù)； 對橋梁的加固措施進(jìn)行了總結(jié)，為橋梁的維護提供了參考。