正交异性钢桥面第二体系受力影响分析

邓 果

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

正交异性钢桥面板不同于混凝土桥面板，其桥面钢板的刚度相对较低，且有清晰的传力跨径：桥面钢板-纵肋-横隔板-腹板。因此，钢箱梁也就存在了三个受力体系[1]：

第一体系：钢桥面板和纵向加劲肋作为主梁的上翼缘与主梁一同构成主要承重构件，也就是主梁体系。

第二体系：由纵肋、横肋和桥面板组成的桥面系结构，其中桥面板被看作纵肋和横肋共同的上翼缘，作用在桥面的荷载通过本体系传递到横梁与主梁上，也就是桥面体系。

第三体系：仅指桥面板，它被视为支承在纵肋和横肋上的各向同性的连续板，也就是盖板体系。

对第一体系的计算，我们一般的梁单元即可以模拟；而对于第三体系，由于桥面板处于薄膜应力状态，且有很大的超额承载力，因此除疲劳验算外，设计中往往可以忽略第三体系的应力[1]。

钢桥面控制应力为第一、二受力体系的叠加，而第二体系的应力往往是计算的难点，目前常用的计算方法有PE法、等效格子梁法、三维有限元分析法[2]。三维有限元计算分析和建模效率越来越高，计算结果较准确，因此使用的越来越多。本文以通用有限元程序ANSYS为工具，计算分析了影响第二体系应力的主要控制因素，可为正交异性钢桥面板的设计提供参考。

1 计算模型

本文计算钢箱梁为上跨某高速公路车行天桥，桥面宽5.5 m，横断面见图1。

图1 钢箱梁横断面（单位：cm）

箱梁高1.3 m，悬壁长1.5 m，采用间距30 cm板肋。纵桥向间隔设置横隔板和横向加劲肋，间距1.25 m。

横隔板间距对第二体系应力的影响已有相关讨论[3]，本文拟分别讨论铺装厚度a、顶板厚度b及加劲肋厚度c对第二体系应力的影响，见图2。

图2 桥面铺装形式示意图

取两个节段，采用ANSYS程序中的板单元SHELL63建立箱梁结构，见图3、图4。

图3 ANSYS几何模型

图4 ANSYS箱室内部板单元模型

采用沥青铺装，假设铺装层是连续、弹性、均匀、各向同性的，钢板层与铺装层之间接触是连续的，不发生滑移。经过实验证明，此假设与实际相符[4]。其密度取2 400 kg/m3，弹模取1 000 MPa。

节段模型共54 564个单元，54 964个节点。铺装采用solid65单元进行模拟，实体单元与桥面板单元通过共用节点来模拟相互耦合，

边界条件为约束腹板竖向位移。

车辆荷载后轮每个轮重70 kN，作用于隔板板间桥面铺装上，由JTG D64-2015 8.2.2条可知，作用面积为0.6 m×0.2 m，其中桥面板计算时冲击系数取0.4，则面荷载的集度为0.817 MPa，见图5。

2 计算结果分析

2.1 铺装厚度的影响

取钢箱梁顶板厚b=14 mm，加劲肋厚c=16 mm，针对沥青铺装厚度a，分别取60 mm、90 mm、120 mm、150 mm、180 mm共5组值，分别计算第二体系钢桥面顶板纵向压应力值，计算结果见表1和图6。

从计算结果中可以看出，铺装厚度对第二体系的影响非常明显，随铺装厚度的增加，第二体系应力显著递减。同时，我们也可以发现，应力减少的速度是逐渐降低，证明铺装厚度的影响效率逐渐降低。

表1 不同铺装厚度第二体系压应力表

图6 不同铺装厚度第二体系压应力图

增加铺装厚度，是减少第二体系应力的一种方法，但过多的增加铺装厚度对于大跨度的钢箱梁结构，将会显著的增加第一体系的应力，因此，增加铺装厚度的方法更适用于中小跨度桥梁。另外，采用剪力钉及混凝土结构的刚性桥面铺装，由于铺装弹模的增大，对第二体系应力的减小将会更多[5]。

2.2 顶板厚度的影响

取铺装厚度a=100 mm，加劲肋厚度c=16 mm，针对顶板厚度b，分别取12 mm、14 mm、16 mm、18mm、20 mm共5组值，分别计算第二体系钢桥面顶板纵向压应力值，计算结果见表2和图7。

表2 不同顶板厚度第二体系压应力表

图7 不同顶板厚度第二体系压应力图

从图表中可以看出，随顶板厚度的增加，第二体系应力减小，但减小的应力有限，钢板厚度从12 mm增加到20 mm，应力仅减小了0.43 MPa，基本可以忽略。通过增加顶板厚度可显著减小第一体系应力，但使用此法减小第二体系的应力是不经济也没有必要的。因此，在我们选取顶板厚度时，应考虑对第一体系、疲劳等控制因素的影响，而不应考虑对第二体系应力的影响。

2.3 加劲肋厚度的影响

取铺装厚度a=100 mm，顶板厚度b=14 mm，针对加劲肋厚度c，分别取12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm共5组值，分别计算第二体系钢桥面顶板纵向压应力值，计算结果见表3和图8。

表2 不同加劲肋厚度第二体系压应力表

图8 不同顶板厚度第二体系压应力图

同顶板厚度一样，随加劲肋厚度的增加，第二体系应力减小，但同样减小的应力有限，钢板厚度从12 mm增加到20 mm，应力仅减小了0.18 MPa，比顶板厚度的影响更小，可以忽略。通过增加加劲肋刚度来减小第二体系应力是不可行的。加劲肋厚度的影响应考虑采用刚性加劲肋[6]的需要，及构造的要求，对第二体系应力的影响，可不予以考虑。

3 结 语

通过以上对铺装厚度、钢顶板厚度、加劲肋厚度对第二体系应力影响的讨论，可以得到以下结论：

（1）桥面铺装厚度对钢板面板第二体系应力影响显著，在中小跨径桥梁中，可适当增加铺装厚度，以减小第二体系应力。

（2）钢顶板厚度、加劲肋厚度对钢桥面板的第二体系应力影响很小，设计中应根据第一体系、疲劳、刚性加劲肋等的需求进行厚度的选取，而不需考虑第二体系的需要。