新型大纵肋正交异性钢—RPC轻型组合桥面板构造研究

张 晓 东

(中铁五局集团建筑工程有限责任公司,贵州 贵阳　550001)

0　引言

正交异性钢桥面板正式研究出来后，凭借着轻质、高强、施工便捷的优势，得到了快速的发展，尤其在大跨度钢桥领域。但是，经历了一定时期的发展，缺点也逐渐的暴露出来，其两类典型问题[1]：

1)沥青混凝土铺装层损坏；2)疲劳开裂。逐渐暴露的缺点，降低了桥梁结构的耐久性以及安全性，使其发展变缓[2]。

阻碍正交异性刚桥面板发展的最大问题就是疲劳问题，而轻型组合桥面板提出的基本出发点便是要消除这一问题。通过采用RPC这一超高强材料，可以有效的提高局部刚度来降低局部区域的应力幅值。

1　有限元模型的建立

1.1　研究对象

本文对新型大纵肋正交异性钢—RPC组合桥面板的构造参数敏感性分析，主要参数有横隔板间距、横隔板厚度、钢顶板厚度等。

结合正交异性组合桥面板最易出现疲劳裂纹的两类构造细节[14,15]：

1)面板与U肋连接构造；2)横肋与U肋连接构造细节；3)较为关注的横撑位置。将上述三类构造作为抗疲劳设计的主要关注控制指标。

1.2　有限元模型的建立

现建立全桥整体仿真计算有限元模型，对桥面板抗疲劳设计进行初步计算，截面尺寸及车道立面布置图如图1所示，全桥节段模型如图2所示。约束方式为两端固结。RPC结构层采用8节点的Solid45单元模拟，正交组合钢箱梁采用4节点Shell63单元，RPC与钢桥面板顶板间采用共用节点方式模拟两者间边界条件。在纵隔板的支撑处采用Beam4梁单元。模型共866 320个单元、496 616个节点。

1.3　最不利加载位置的确定

考虑目前重车较多，因此在计算时将车辆横向分布调整为a=±0.5 m左右，如图3所示。

1.3.1横隔板与U肋连接构造

每个车道进行加载后，将横隔板与U肋连接构造在各横向及纵向工况作用下的主拉应力对比结果绘制，如图4所示。

由图4可知，中间右起第12个横隔板与U肋连接焊缝的地方出现最大主拉应力，数值为45.3 MPa。

1.3.2顶板与U肋连接构造

将顶板与U肋连接构造在各横向及纵向工况作用下的主拉应力对比结果绘制，如图5所示。

由图5可知，右起第10个U肋与顶板连接焊缝处顶板最大主拉应力，数值为87.2 MPa。

1.3.3横撑连接构造

将横撑连接构造在各横向及纵向工况作用下的主拉应力对比结果绘制，如图6所示。

由图6可知，左起第3个横撑左支下端连接焊缝处横撑连接细节出现最大主拉应力，数值为29.7 MPa。

2　构造参数敏感性分析

确定了横向加载的最不利位置。以确定的横向最不利加载位置为基础，在桥的纵向进行加载。以疲劳车纵向应力历程做对比，对横隔板间距、顶板厚度和横梁厚度等构造参数进行敏感性分析。

2.1　横隔板间距

不同横隔板间距对于结构的疲劳性能影响比较大，所以对于横隔板间距，选取三个间距进行对比，即2 500 mm,2 750 mm,3 000 mm。

由图7及表1对比结果可知，当横隔板间距从3 000 mm变至2 750 mm时，各易损部位最大主应力降低了13%～30%左右。特别对于顶板与U肋连接构造处应力减低显著(约32%)。由此显示，减少横隔板间距能有效改善桥面板及整体结构的疲劳性能。

2.2　横隔板厚度

横隔板的厚度也对其效果的发挥有一定的影响。本小节横梁厚度选取14 mm,16 mm,18 mm,20 mm,22 mm。

表2　不同横隔板厚度在各关注目标的最大主应力

横梁厚度14 mm16 mm18 mm22 mm横隔板与U肋连接61.49 MPa56.01 MPa50.44 MPa49.64 MPa顶板与U肋连接75.59 MPa74.32 MPa73.31 MPa73.01 MPa横撑连接33.08 MPa32.79 MPa32.51 MPa31.71 MPa

由图8及表2对比结果可以看出，横隔板厚度从14 mm增加至22 mm时，对于顶板与U肋连接细节，横隔板厚度的改变对其疲劳性能基本无影响，主要原因在于横隔板对于该细节主要提供弹性支撑，两相邻横隔板变形基本一致，横隔板厚度改变时其与U肋的相对变形基本保持不变；对于横隔板与U肋连接部位，最大主应力降低19%，横隔板厚度增加会使其疲劳性能略有增强。

3　结语

1)对横隔板间距，各关注目标细节均以横梁间距为2 500 mm或2 750 mm较优，表明从理论上，减少横梁间距能有效改善桥顶板及整体结构的疲劳性能。

2)隔板厚度从14 mm增加至22 mm时，各目标细节疲劳应力的提高不显著；对于顶板与U肋连接细节，横隔板厚度的改变对其疲劳性能基本无影响，主要原因在于横隔板对于该细节主要提供弹性支撑，两相邻横隔板变形基本一致，横隔板厚度改变时其与U肋的相对变形基本保持不变；对于横隔板与U肋连接部位，横隔板厚度增加会使其疲劳性能略有增强。

3)当钢顶板厚度由14 mm增至22 mm时，各目标细节最大主应力均有降低，特别是顶板与U肋连接构造处，但是对横撑连接构造的影响不明显。

4)通过本文的分析，我们可以看出，正交异性组合桥面板的合理结构型式可以有效降低其应力水平，改善结构的疲劳性能。建议该组合结构参数，横隔板间距2 500 mm～2 750 mm，横隔板厚度18 mm～22 mm，钢顶板厚度18 mm～22 mm。