正交异性钢桥面板主要受力特点及设计尺寸对其疲劳性能的影响

刘源

摘 要：基于工程实例背景通过ANSYS软件建立模型，分析正交异性钢桥面板主要构件的受力特点，为后文简化模型的建立提供依据。建立简化模型，通过改变横隔板厚度设计尺寸，来研究设计尺寸的改变对正交异性钢桥面板疲劳的影响。研究结果表明：纵桥向方向，横隔板上应力主要受其前后两个横隔板间距范围内的荷载影响，其余处的荷载对其影响较小；桥宽方向，荷载只影响与它左右相邻的两个U肋上的应力。通过改变构造设计尺寸，正交异性钢桥面板的疲劳性能受到一定程度的影响，合理的设计尺寸对提高正交异性钢桥面板的疲劳性能很有帮助。

关键词：横隔板；疲劳；正交异性钢桥面板

中图分类号：U443.32；U441.5 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0101-03

The Main Stress Characteristics of Orthotropic Steel Bridge Deck

and the Effect of Design Size on Its Fatigue Performance

LIU Yuan

（School of Civil Engineering， LanZhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： Based on the background of engineering example， building entity model through ANSYS software， analysis of the stress characteristics of the main members of the orthotropic steel bridge deck， provide the basis for the establishment of the later simplified model. Set up a simplified model， by changing the thickness of the diaphragm， to study the effect of design size change on the fatigue of orthotropic steel bridge deck. The results of the study showed that： Direction of longitudinal bridge， the stress on the diaphragm is mainly affected by the load within the two diaphragm， the rest of the load has little effect on it； Bridge width direction， the load only affects the stress on the two U ribs adjacent to it. By changing the design size of the structure， the fatigue performance of the orthotropic steel bridge deck is affected by varying degrees， when the design was used， the reasonable design size is helpful to improve the fatigue performance of the orthotropic steel bridge deck.

Keywords： diaphragm；fatigue；orthotropic steel bridge deck

因具有自重輕、跨越能力大、承载能力强等优点，在当今国内外的桥梁建设中，正交异性钢桥面板得到了大量的使用[1]。同时，因其较多的焊缝数量和在制作过程中不可避免的焊接残余应力和初始缺陷，其疲劳问题也很显著。因此，有必要对正交异性钢桥面板进行研究，为了解其疲劳性能的影响因素提供依据。

1 正交异性钢桥面板的主要受力特点

正交异性钢桥面板主要由面板、纵肋和横隔板焊接构成，由于纵肋和横隔板焊接在一起，这就在横隔板和纵肋之间产生了约束作用。当约束刚度较大时，纵肋的竖向挠曲引起的横隔板的面内弯曲和面外变形无法实现，就会在它们的焊缝处产生很大的次内力，进而引起疲劳开裂[2]。基于这种受力机理，本节在前人研究的基础上，基于工程实例建立有限元模型，在移动车轮荷载作用下分析正交异性刚桥面板主要的受力特点。

1.1 工程实例

针对某一双向六车道的独塔钢箱梁斜拉桥的桥面建立有限元模型进行分析。该桥采用流线型扁平钢箱梁，梁高3.5m，全长777.4m，桥宽44.6m，标准梁端长15m且设置了5道横隔板，横隔板间距为3m，顶板纵肋采用U型肋，纵肋上口宽300mm，下口宽170mm，高280mm，纵肋中心距600mm。其中，顶板、横隔板、顶板U肋厚度分别为160mm、120mm、80mm。

1.2 建立有限元模型

因为本文研究的对象为正交异性钢桥面板，因此，只截取钢箱梁的顶板和顶板下横隔板750mm范围内的部分，其中纵向截取桥长方向的一个标准段即15m，横向截取钢箱梁一室宽度为5.53m。利用ANSYS软件建立模型，模型示意图如图1所示。建模时，单元类型选用shell181，弹性模量为E1=210GPa，泊松比采用r=0.3。边界条件采取纵桥向方向，两端固结横桥向两边简支。荷载采用疲劳车单车轮加载，接地面积为0.6m×0.2m，不考虑冲击系数，轮载换算成面荷载后大小为0.583MPa。车轮荷载施加在模型中心线处，每隔1.5m施加一个荷载步，共计9个荷载步[3]。

1.3 分析结果

在移动车轮荷载的作用下，对正交异性钢桥面板进行受力分析可以得到以下结果：①纵桥向方向，横隔板上应力主要受其前后两个横隔板间距范围内的荷载影响，其余处的荷载对其影响较小；②桥宽方向，荷载只影响与它左右相邻的两个U肋上的应力。此结论为后文简化模型的建立提供了理论依据。

2 构造细节设计尺寸的改变对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响

2.1 关注疲劳开裂点及疲劳分析方法的确定

通过大量观察正交异性钢桥面板的疲劳裂纹位置，可知纵肋和横隔板连接处的裂纹分为两种：一种是起始于纵肋与横隔板焊接处的起焊点并沿与横隔水平方向成45°夹角斜向上发展的裂纹，另一种起始于弧形开口自由边沿横隔板水平方向发展。如图2所示，把这两种裂纹开裂点分别命名为A和B。这与前面通过ANSYS计算得到的应力云图中应力集中现象最突出的部位一致。因此，本文以A、B点为关注点，并以两点处的热点应力和应力集中系数作为疲劳性能评价指标，通过改变横隔板厚度的尺寸，研究不同的尺寸布置对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响。

工程中实用的疲劳分析方法主要有构件试验法、名义应力法和热点应力法。考虑到名义应力法在解决焊接结构构件中的准确性不足的问题，本文拟采用热点应力法进行研究分析，并采用外推公式来求解A、B两点的热点应力。考虑到应力集中系数等于热点应力与名义应力的比值，本文参照规范把1.5t处的应力定义为名义应力。

2.2 建立简化有限元模型

为建立简化有限元模型，首先要确定尺寸参数。通过对我国一些已建桥梁和所用的正交异性钢桥面板的构造尺寸进行统计，横隔板厚度在8～14mm。建模分析模型时，按改变单一尺寸其他参数保持不变的原则，取横隔板厚度为8mm、10mm、12mm、14mm建立有限元模型，来研究横隔板厚度的改变对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响。以上节得出的理论为建立简化模型奠定了基础，简化模型纵向取3块横隔板，横向取4条纵肋，除横隔板厚度以外，其他尺寸和参数保持不变。边界条件取面板纵、横向边缘无水平位移，横隔板在底部固结。

2.3 加载方式

加载方式采用最不利加载位置加载。分别将车轮荷载沿桥面横向和纵向移动以使面板产生最大應力，并将其作为最不利荷载位置的判别准则。考虑到有限元模型对称问题，横向荷载布置如图3所示。计算结果显示，当车轮荷载作用在荷载位3时，桥面板的主应力最大，因此选取荷载位3作为横向最不利加载位置。分析纵向加载位置时车轮荷载横向，取荷载位3方式加载，纵向加载范围取两块横隔板间距，除两个横隔板跨中处施加一个车轮荷载外，另从第一个横隔板开始每隔600mm施加一个车轮荷载，共7个荷载步。计算结果显示，当车轮荷载施加在两个横隔板跨中处时，桥面板主应力出现最大值，因此纵向加载位置确定在两个横隔板跨中处。

3 分析与结论

从表1可以看出，随着横隔板厚度的增大，A、B两点的热点应力均有所降低，降低幅度分别为21%、40%，而A点应力集中系数增大，增大幅度约为33%。因此，可以得出以下结论：通过增大横隔板的厚度虽然可以降低关注点处的热点应力值，但是对应力集中效应并没有改善作用；相反，因为纵肋和横隔板尺寸差距的变大，A点处的应力集中变得更为突出。因此，桥梁设计中选择合理的横隔板厚度显得十分重要。

4 结论

横隔板厚度的增大虽能改善纵肋与横隔板连接处应力的大小，但对焊接起焊点位置处的应力集中现象没有改善；相反，因为纵肋横隔板尺寸差距的变大，起焊点处应力集中现象变得更为突出。

参考文献：

[1]吉伯海，田园，傅中秋，等.正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力幅分析[J].工业建筑，2014（5）：128-153.

[2]曹志.正交异性钢桥面板构造细节的疲劳性能研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[3]陶晓燕，刘晓光，张玉玲.正交异性钢桥面板受力特征研究[J].钢结构，2010（7）：12-14.