王問(wèn)筆

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 前 言

U肋和橫隔板的常用做法工藝有兩種，第一是橫隔板不開(kāi)孔、U肋斷開(kāi)形式，在U肋上開(kāi)坡口焊接在橫隔板兩側(cè)；另一種是橫隔板開(kāi)孔、U肋連續(xù)[1]。根據(jù)調(diào)研，近年國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用的正交異性鋼橋面板，以采用橫隔板開(kāi)孔、U肋連續(xù)的形式為主，該連接處形式和工藝設(shè)計(jì)能有效降低U肋和橫隔板焊縫及周邊在服役期內(nèi)的應(yīng)力集中[2]。U肋和橫隔板連接處的剛度匹配是此處構(gòu)造設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，U肋和橫隔板在荷載作用下的面內(nèi)外應(yīng)力值則是研究剛度匹配的依據(jù)。

1 U肋和橫隔板連接處疲勞裂紋成因分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，正交異性鋼橋面板疲勞裂紋中，U肋和橫隔板連接焊縫開(kāi)槽處的疲勞裂紋最多，見(jiàn)圖1，占總量的38.2%。

圖1 U肋和橫隔板連接處疲勞裂紋

從疲勞裂紋的成因分析，可將此處產(chǎn)生的疲勞裂紋分為主應(yīng)力引起的裂紋和面外變形產(chǎn)生次應(yīng)力進(jìn)而引起的裂紋。通過(guò)加厚鋪裝層厚度分散車(chē)輪壓力，增強(qiáng)鋪裝層和面板之間的連接，可有效改善主應(yīng)力引起的疲勞裂紋。研究正交異性鋼橋面板U肋、橫隔板、頂板之間的剛度配比，同時(shí)改進(jìn)焊縫施作的施工工藝水準(zhǔn)，是當(dāng)前改善面外變形次應(yīng)力引起的疲勞裂紋的主要研究方向。

2 U肋和橫隔板連接處面內(nèi)外應(yīng)力

經(jīng)比較，本文選取美國(guó)AASHTO規(guī)范[3]所推薦的橫隔板開(kāi)孔形式，結(jié)合國(guó)內(nèi)目前常用的U肋、橫隔板、頂板剛度比及開(kāi)孔形狀，確定U肋、橫隔板和頂板尺寸如圖2所示，所建立的足尺實(shí)體模型如圖3所示。

圖2 本文開(kāi)孔形式尺寸示意圖

圖3 足尺實(shí)體模型示意圖

為模擬單輪對(duì)橋面板受力和變形的影響，在本模型中對(duì)單輪荷載進(jìn)行模擬，加載區(qū)域參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D 60—2015)[4]中的車(chē)輛單輪荷載作用面積為300 mm×200 mm，另加上在50 mm厚度鋪裝層中按45°擴(kuò)散的面積，修正車(chē)輛單輪加載面積為400 mm×300 mm。單位加載作用力為100 kN(10 t)。荷載將在模型頂板進(jìn)行縱向和橫向的移動(dòng)，如圖4所示。連接處U肋的三個(gè)典型考察點(diǎn)A、B、C和橫隔板典型考察點(diǎn)D的面內(nèi)外應(yīng)力值如表1所示。

圖4 單輪荷載加載示意圖

表1 最不利加載工況下各考察點(diǎn)面內(nèi)外應(yīng)力值

在最不利加載位置時(shí)，U肋各考察點(diǎn)的面內(nèi)外應(yīng)力相當(dāng)，橫隔板的應(yīng)力考察點(diǎn)面內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)大于面外應(yīng)力。在此工況下，U肋泊松效應(yīng)在連接處產(chǎn)生的彎曲次應(yīng)力和偏載導(dǎo)致的U肋扭轉(zhuǎn)次應(yīng)力在U肋和橫隔板連接處耦合，此時(shí)的應(yīng)力值為最大，此時(shí)的U肋變形如圖5所示。

圖5 最不利工況下U肋及橫隔板連接處變形示意

由圖5可看出，U肋發(fā)生了較大的面外變形(扭轉(zhuǎn))，由于橫隔板整體剛度大，因此面外撓曲的現(xiàn)象并未顯著出現(xiàn)。同時(shí)，由于U肋發(fā)生較大扭轉(zhuǎn)，疊加U肋壁板在橫隔板焊縫處的泊松效應(yīng)，明顯的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中現(xiàn)象在開(kāi)孔處焊趾出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

1)當(dāng)車(chē)輪荷載作用在U肋或橫隔板正上方時(shí)(正載)，應(yīng)力考察點(diǎn)A、C處的應(yīng)力較小，U肋與橫隔板連接處受力主要為橫隔板對(duì)U肋的支撐效應(yīng)，應(yīng)力以協(xié)同變形作用下，U肋和橫隔板在各自面內(nèi)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力[5]，以及連接焊縫因?yàn)閁肋壁板泊松效應(yīng)，在U肋壁板面外產(chǎn)生的彎曲次應(yīng)力為主，隨著荷載縱向移動(dòng)，在U肋與橫隔板連接處，橫隔板產(chǎn)生偏載，由于焊縫對(duì)U肋的約束，U肋壁板產(chǎn)生相對(duì)于橫隔板面外的彎曲次應(yīng)力，此時(shí)連接處應(yīng)力以一次效應(yīng)增長(zhǎng)，U肋的面內(nèi)應(yīng)力與面外應(yīng)力增幅相近，而橫隔板面內(nèi)應(yīng)力保持增長(zhǎng)，面外應(yīng)力絕對(duì)值保持較低。

2)當(dāng)車(chē)輪荷載從初始位置橫向移動(dòng)時(shí)，U肋逐漸開(kāi)始受到偏載效應(yīng)，而橫隔板則一直承受的正載效應(yīng)。當(dāng)U肋正上方承受車(chē)輪荷載時(shí)，U肋至在第一、第二體系下產(chǎn)生豎向位移，盡管存在泊松效應(yīng)，使得此處U肋面內(nèi)外應(yīng)力耦合，但此時(shí)U肋應(yīng)力考察點(diǎn)處應(yīng)力數(shù)值仍偏低；當(dāng)荷載往右邊開(kāi)始橫向移動(dòng)，U肋同時(shí)發(fā)生豎向位移和扭轉(zhuǎn)，在連接焊縫處產(chǎn)生畸變，耦合應(yīng)力隨著變形增大而逐漸增大。在荷載橫向移動(dòng)過(guò)程之中，橫隔板面內(nèi)應(yīng)力保持穩(wěn)定，面外應(yīng)力保持低值；U肋的面內(nèi)外應(yīng)力比值一直接近于1.0，表明U肋此時(shí)由于橫隔板變形引起的面外彎曲次應(yīng)力不大。

3)在最不利加載位置進(jìn)行單點(diǎn)荷載加載時(shí)，U肋壁板面內(nèi)變形的泊松效應(yīng)和面外扭轉(zhuǎn)畸變所產(chǎn)生的次應(yīng)力效應(yīng)，在U肋與橫隔板連接焊趾處和正應(yīng)力產(chǎn)生耦合，此時(shí)的應(yīng)力最大，應(yīng)力集中現(xiàn)象最嚴(yán)重。U肋上的考察點(diǎn)A,B,C面內(nèi)外應(yīng)力數(shù)值差異較小，而橫隔板考察點(diǎn)D的面內(nèi)應(yīng)力和面外應(yīng)力差值較大，原因在于橫隔板自身剛度較大，面外變形較?。煌瑫r(shí)U肋考察點(diǎn)的應(yīng)力較橫隔板上要大，和各自板厚關(guān)系較大。

經(jīng)建立精細(xì)化ANSYS數(shù)值分析模型計(jì)算可得，U肋與橫隔板連接處，橫隔板應(yīng)力主要為面內(nèi)應(yīng)力，這和橫隔板剛度較大，變形較小有關(guān)；U肋的面內(nèi)應(yīng)力和面外應(yīng)力值差異較小，U肋的面外變形方向與橫隔板面內(nèi)變形方向相同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)此處應(yīng)力和變形特征，對(duì)連接處U肋和橫隔板厚度(剛度)進(jìn)行匹配計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立精細(xì)化ANSYS實(shí)體元模型，在單輪荷載沿頂板雙向移動(dòng)時(shí)，U肋關(guān)鍵觀察點(diǎn)A、B、C和橫隔板關(guān)鍵觀察點(diǎn)D壁板兩側(cè)的主拉應(yīng)力值進(jìn)行了理論數(shù)值分析，針對(duì)單輪何在雙向移動(dòng)過(guò)程中，壁板兩側(cè)應(yīng)力的變化及其分解出的面內(nèi)外應(yīng)力值的變化，對(duì)引起面內(nèi)外變化的原因進(jìn)行了分析，所得結(jié)果可為今后相關(guān)研究設(shè)計(jì)提供參考。

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