钢箱梁正交异性板桥面局部应力影响因素分析

段 政,吴臻旺

(成都市市政工程设计研究院,四川成都 610023)

钢箱梁正交异性板桥面局部应力影响因素分析

段 政,吴臻旺

(成都市市政工程设计研究院,四川成都 610023)

在调查钢箱梁正交异性板桥面结构参数的基础上,确定计算结构。板件厚度选取顶板、纵肋、底板和横隔板,结构尺寸选取主梁高度和横隔板间距作为计算参数,选择固定的受力点和荷载位置,在单一参数变化的情况下,对局部应力进行参数分析,研究各板件厚度和结构尺寸对结构各局部应力的影响。

板件厚度；结构尺寸；钢箱梁正交异性板桥面；局部应力

0 引言

从目前建设的桥梁来看,钢箱梁正交异性板桥面各项板件厚度和结构尺寸参数正在不断优化之中。选择若干参数,在单一参数变化的情况下,研究钢箱梁正交异性板桥面各项局部应力的变化,分析参数对结构局部应力影响,对设计钢箱梁正交异性板桥面结构和掌握其受力特性有一定的参考意义。

1 计算结构

钢箱梁正交异性板桥面已普遍用于大跨悬索桥、斜拉桥和自锚悬索桥,我国业已建成或在建的部分此类桥梁结构参数如表1所示。早期建成的钢箱梁正交异性板桥面顶部厚度大多为12 mm和14 mm,后来逐渐增加至16 mm或更厚。纵肋均使用U型肋,上口宽、底宽、高度和板厚大都使用300×170×280×8(mm)规格,后来建设的苏通大桥和港珠澳青洲航道桥适当增加了底宽、肋高或板厚,以增加纵肋竖向抗弯刚度。主梁高度大致有3 m、3.2 m、3.5 m和4 m等4种。横隔板间距从3 m至4 m不等。

参考已经建造和设计的钢箱梁正交异性板桥面尺寸,选择计算结构为梁高3.5 m,锚点横向间距34.8 m,纵向间距15 m,横隔板间距3 m,顶板厚14 mm,底板厚12 mm,横隔板厚10 mm,纵肋用300×170×280×8(mm)U形肋,间隔600 mm,计算结构和顶板体系尺寸分别如图1和图2所示。

钢箱梁正交异性板桥面有限元计算时,均采用板单元,单元形状以正方形和矩形为主。重点研究区域单元尺寸为25 mm×25 mm,非重点研究区域为150 mm×250 mm,结构计算模型的有限单元数量为36.7万。采用公路I级车辆荷载［1］,按照车轮位置采用面荷载加载,考虑75 mm铺装层对车轮荷载的扩散效应,重轴车轮加载面积350 mm× 750 mm,不计冲击效应。研究［2］表明钢箱梁正交异性板桥面产生最不利局部应力的部位及其对应的荷载位置如表2所示。

2 板件厚度参数影响

2.1 顶板厚度

顶板厚度直接影响着桥面板构件的受力,对典型结构仅改变顶板厚度,研究局部应力变化。顶板厚度最小取10 mm,以2 mm递增至20 mm,各种板厚对应的局部应力如图3所示。

由图3可知,改变顶板厚度对顶板横向应力影响最大,对顶板纵向应力影响次之,对纵肋纵向应力影响最小,且板厚越小变化趋势越明显。当顶板厚度由14 mm减至10 mm时,顶板横向拉应力由57.0 MPa增加至112.2 MPa,压应力由69.6 MPa增加至110.0 MPa,分别增加96.8%和58.0%；对应的纵向拉、压应力分别增加80.0%和83.2%；而纵肋纵向拉、压应力均增加1.4 MPa,变化很小。当顶板厚度由14 mm增至20 mm时,顶板横向拉、压应力分别减小53.5%和38.5%；对应的纵向拉、压应力分别减小40.3%和41.1%；而纵肋纵向拉、压应力仅减小7%左右。顶板厚度对顶板横向和纵向应力影响较大。

2.2 纵肋板厚

纵肋板厚直接影响着桥面系竖向抗弯惯性矩,对结构局部刚度有着重要贡献,此处仅研究顶板纵肋对结构受力的影响。纵肋板厚多用6 mm或8 mm,在此尝试把纵肋用至10 mm,以研究纵肋板厚对结构局部应力的影响。三种纵肋板厚对应的局部应力详见表3,表中还列出了6 mm和10 mm板厚的计算应力和8 mm板厚的对应比值。

表1 我国业已建成或在建的钢箱梁正交异性板桥面桥梁结构参数

图1 计算结构尺寸(单位:m)

图2 顶板体系尺寸(单位:mm)

表2 钢箱梁正交异性板桥面产生最不利局部应力的部位及其对应的荷载位置

图3 顶板厚度对局部应力的影响曲线

表3 纵肋板厚对局部应力的影响(单位:MPa)

由表3中数据可知,改变纵肋板厚,对纵肋纵向应力影响最为明显,当纵肋板厚由8 mm减至6 mm时,纵肋纵向拉、压应力均增加32%左右；若把纵肋板厚增加至10 mm,其纵向拉、压应力可减小约20%。把纵肋板厚减至6 mm和增至10 mm,可使得顶板横向压应力分别增加和减小约10%。而改变纵肋板厚对顶板横向拉应力和纵向拉、压应力影响都不超过5%。纵肋板厚对纵肋纵向应力和顶板横向压应力影响明显。

2.3 底板厚度

底板厚度直接影响着钢箱梁结构的纵向和横向抗弯刚度,对第一体系受力有着重要影响。现把典型结构12 mm厚底板更换为8 mm、10 mm、14 mm,分别计算结构局部应力,计算结果及其与典型结构的比值详见表4。

表4 底板厚度对局部应力的影响(单位:MPa)

由表4中数据可知,把典型结构的底板厚度由12 mm减至8 mm和增至14 mm,对结构局部应力影响都不超过1%。底板厚度对桥面板结构局部应力影响不大。

2.4 横隔板厚度

横隔板是正交异性板钢箱梁整体性能的有力保证,对其抗扭惯性矩和横向抗弯刚度有着重要贡献。典型结构中横隔板厚度为12 mm,现把其更换为8 mm、10 mm、14 mm,分别计算结构局部应力,计算结果及其与典型结构的比值详见表5。

表5 横隔板厚度对局部应力的影响(单位:MPa)

由表5中数据可知,改变横隔板厚度,对顶板横向、纵向应力和纵肋纵向应力影响都不明显。当12 mm厚的横隔板减至8 mm和增至14 mm时,局部应力改变比例都不超过典型结构的5%。横隔板对结构局部应力影响不大。

3 结构尺寸参数影响

3.1 主梁高度

主梁的高度直接影响着钢箱梁的横向和纵向抗弯惯性矩,对第一体系受力有着重大影响。现把主梁高度由3.5 m降低到3.0 m,计算局部应力及其与典型结构的比较,详见表6。

表6 主梁高度对局部应力的影响

改变主梁高度,对结构各项局部应力均有不同程度的影响。其中,由于顶板横向压应力位于锚点横隔板截面上,受影响最明显,当主梁高度由典型结构的3.5 m降低至3.0 m时,顶板横向压应力增加3.7%,这主要是主梁高度降低使其横向抗弯惯性矩降低的缘故。降低主梁高度同时还使得其纵向抗弯惯性矩降低,这会引起顶板纵肋纵向拉应力减小；但同时主梁的竖向刚度也受到削弱,吊索节间跨中位置竖向挠度增加,又会使得顶板纵肋纵向拉应力增加,二者综合作用使得顶板纵肋纵向拉应力稍有1.3%的增加。主梁高度对结构局部应力影响不大。表6为主梁高度对局部应力的影响。

3.2 横隔板间距

横隔板间距对桥面系的局部,特别是横隔板节间中部的竖向刚度有着重要影响。同时,横隔板间距也是决定吊索纵向间距的两个因素之一,对结构第一体系受力有着重要影响。现根据已经建成的钢箱梁横隔板间距,把典型结构中的3.0 m,减小至2.5 m和增加至3.5 m、4.0 m,分别计算结构局部应力,计算结果及其与典型结构的比值详见表7。

由表7中数据可知,改变横隔板间距对纵肋纵向应力影响最为明显。和典型结构局部应力相比,当横隔板间距由3.0 m减小到2.5 m时,纵肋纵向拉、压应力分别减小16.5%和13.9%；当增加至3.5 m时,纵肋纵向拉、压应力分别增加15.4%和10.2%；当增加至4.0 m时,纵肋纵向拉、压应力分别增加28.3%和15.4%。纵肋纵向拉应力取值位置为横隔板节间中部,对应荷载为车辆荷载第4轴相应位置,故而受横隔板间距影响较明显；当车轮荷载第4和第5轴对称布置在吊索横隔板纵向两侧位置时,纵肋纵向受最大压应力,故而受横隔板间距影响次之。当横隔板间距减至2.5 m和增至4.0 m时,对顶板横向和纵向应力的影响都不超过5%。横隔板间距对纵肋纵向应力有较大影响。

表7 横隔板间距对局部应力的影响

4 结论

改变顶板厚度、纵肋厚度、底板厚度、横隔板厚度、主梁高度和横隔板间距单一参数,通过对钢箱梁正交异性板桥面局部应力的对比计算分析,得到如下有益结论：

(1)顶板厚度对顶板横向和纵向应力影响较大；

(2)纵肋板厚对纵肋纵向应力和顶板横向压应力影响明显；

(3)底板厚度对桥面板结构局部应力影响不大；

(4)横隔板厚度对结构局部应力影响不大；

(5)主梁高度对结构局部应力影响不大；

(6)横隔板间距对纵肋纵向应力有较大影响。

底板厚度和主梁高度对主梁绕横轴的竖向抗弯惯性矩影响较大,但二者对结构局部应力影响不明显,说明在钢桥面板局部应力中,由第一体系产生的应力所占比例较小。因此,大多针对正交异性钢桥面板(缺少底板不形成封闭箱型结构)的实验成果可直接用于钢箱梁结构,在使用钢箱梁较早较多的欧洲［3］和美国［4］,其规范也多是针对正交异性钢桥面板的内容。

［1］ JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］ 吴臻旺. 公路悬索桥钢箱梁正交异性板桥面局部应力影响面与包络面和简化计算研究［D］. 成都：西南交通大学,2013.

［3］ EN 1993-2:2006. Eurocode 3-Design of steel structures -Part 2: Steel bridges［S］. European Committee for Standardization (CEN)，2006.

［4］ AASHTO LRFD Bridge Design Specifications(SI Units， Seventh Edition)［S］， American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO)， 2014.

U441+.5

A

1009-7716(2015)09-0194-04

2015-05-17

段政(1965-),男,四川渠县人,高级工程师,从事桥梁设计工作。