斜拉桥钢箱梁纵隔板对钢桥面板受力性能的影响研究

杨健 李明辉 崔建伟 王昊

（1.宁波市杭州湾大桥发展有限公司 浙江宁波 315000；2.河海大学土木与交通学院江苏南京 210000）

钢箱梁具有跨越能力大、结构自重小、抗风稳定性好等优点，在大跨径缆索支承桥梁中得到了广泛应用［1-2］。钢桥面板直接承受轮载作用，局部构造复杂，在循环荷载作用下，易出现疲劳裂纹［3-4］。大跨径斜拉桥主梁通常采用钢箱梁的构造形式，斜拉桥钢箱梁承受较大的轴向力，为改善钢箱梁受力，通常布置内部纵向横隔板，简称为纵隔板［5］。

纵隔板能够增强钢箱梁的抗弯、抗剪和抗扭能力，减小桥面板产生的局部变形，增强钢箱梁的安全储备［6］。根据有关规范及技术资料分析，设置纵隔板的箱梁的有效宽度要比无纵隔板时增加30%（在支点处）［7］。但在桥梁运营一段时间之后，往往发现空腹式纵隔板腹杆与节点板连接处出现裂纹［8］。纵隔板位于重车道与快车道之间，两侧横隔板-U肋围焊位置受到的车辆荷载循环作用最大，有必要开展研究。

本文建立了正交异性钢桥面板的节段有限元模型，通过对比有无纵隔板时横隔板围焊端、弧形缺口及焊趾应力，分析了纵隔板对钢箱梁典型疲劳细节受力性能的影响；通过提取纵隔板两侧各U 肋焊缝主拉应力，分析了纵隔板对局部初始应力的影响范围。

1 有限元分析

钢桥面板顶板、铺装层、横隔板、U 肋厚度分别为16mm、60mm、10mm 和8mm，相邻横隔板间距3.75m，相邻U肋间距600mm。纵隔板厚度10mm，位于第五根与第六根U肋之间。钢桥面板材料采用Q345qD钢材，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3；铺装层弹性模量为1000MPa，泊松比为0.3。模型全局网格尺寸为50mm，子模型全局尺寸为20mm，网格加密尺寸为1mm。模型约束横隔板边界的所有平动自由度和转动自由度，约束顶板、U肋和纵隔板边界的所有平动自由度，钢桥面板节段模型如图1所示。

图1 钢桥面板节段模型

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）中提出的标准疲劳车荷载模型，标准疲劳车每根轴重120kN，单侧车轮轴载为60kN，荷载作用面积为600mm（横向）×200mm（纵向），且荷载集度为0.5MPa。荷载作用位置如图2所示。利用FORTRAN编制DLOAD子程序进行车轮加载，横桥向作用在纵隔板右侧3 根U肋的正上方，纵桥向作用在3道横隔板之间，从横隔板A向横隔板C移动，设置51个荷载分析步，荷载步步长为150mm。

图2 荷载工况

2 纵隔板对钢桥面板受力的影响

2.1 最大主应力分析

分别提取是否设置纵隔板时靠近纵隔板位置第二根U肋的远离纵隔板侧的U肋焊缝围焊端焊趾的最大主应力，如图3所示。围焊端的两条主应力曲线变化形式基本一致，是否设置纵隔板对围焊端主应力最不利荷载位置及主应力分布没有影响，围焊端的初始应力差12MPa，应力峰值差15MPa。因此，纵隔板由于承担斜拉桥钢箱梁轴向压力叠加的作用，在构造细节位置产生了较大的初始应力，但纵隔板对研究细节仅在车轮荷载作用下产生的疲劳应力影响较小，可以忽略不计。设置纵隔板时，横隔板U 肋焊缝围焊端的主应力幅及平均应力为56MPa和78MPa；而未设纵隔板时，其主应力幅及平均应力为54MPa 和65MPa。因此，纵隔板提高了围焊端的平均应力，但对主拉应力幅的影响可忽略不计。

图3 围焊端最大主应力

分别提取是否设置纵隔板时第二根U肋远离纵隔板侧横隔板-U 肋弧形缺口净截面最小处的最大主压应力，如图4所示。是否设置纵隔板对围焊端主应力最不利荷载位置及主应力分布没有影响。不设纵隔板时，弧形缺口的初始应力与设置纵隔板时应力峰值差6MPa。由此可知，纵隔板降低了该点的初始应力水平，但由于斜拉桥钢桥面板弧形缺口位置的初始应力本身应力值较小，因此，是否设置纵隔板对弧形缺口位置的影响可忽略不计。

图4 弧形缺口主压应力

为研究是否设置纵隔板时弧形缺口的应力幅及平均应力，设置纵隔板时的主应力幅及平均应力为-58MPa 和-31MPa，而未设纵隔板时其主应力幅及平均应力为-60MPa 和-39MPa。设置纵隔板，降低了弧形缺口的平均应力，但对主压应力幅的影响可以忽略不计。

分别提取是否设置纵隔板时第二根U肋远离纵隔板侧横隔板-U肋焊缝U肋焊趾的最大主压应力，如图5所示。U 肋焊趾的两条主应力曲线变化形式基本一致，是否设置纵隔板对围焊端主应力最不利荷载位置及主应力分布没有影响。

图5 U 肋焊趾主拉应力

2.2 影响范围分析

研究区域位于距离纵隔板的第二根U 肋远端，横向距离约为1m，中间相隔3 处横隔板-U 肋焊缝细节，1.5 根U 肋。考虑到正交异性钢桥面板局部受力复杂且应力影响线短，纵隔板对于轮载作用下的疲劳应力影响范围可能到达不了研究区域，若仅考虑纵隔板对初始应力的影响，无法准确地反映出纵隔板的影响范围和影响机理，因此，需就初始应力及构造细节疲劳应力分别进行纵隔板影响范围分析。

对于纵隔板对构造细节初始应力的影响，选取初始应力最大的横隔板-U 肋围焊端靠近横隔板焊趾位置的初始应力，以纵隔板为中心，重车道位置提取5根U肋，交换车道提取3根U肋，共计16个构造细节应力提取点，是否设置纵隔板的初始主拉应力如图6所示。在不设置纵隔板情况下，围焊端的初始主拉应力基本保持在同一水平，其疲劳性能的差异仅与车辆荷载作用位置有关；在设置纵隔板时，以纵隔板为界，靠近纵隔板侧的围焊端初始主拉应力较小，而远离纵隔板侧的初始主拉应力较大，纵隔板两侧的围焊端主拉应力最大值接近70MPa，最小值不足10MPa，主应力差异明显。同时，在靠近纵隔板的2 根U 肋范围内存在初始应力较大的情况，而2根外的U肋，其两侧围焊端的初始应力差较小，可忽略不计。因此，纵隔板对围焊端初始应力的影响范围为纵隔板两侧各2根U肋范围内。

图6 纵隔板对初始应力影响范围

为研究相同荷载工况下横桥向不同位置横隔板-U肋焊缝围焊端的疲劳应力情况，将车轮荷载分别作用在靠近纵隔板位置的3 根U 肋6 处围焊端细节正上方，提取各点的应力时程如图7所示。除了最靠近纵隔板的围焊端细节，其余位置的主拉应力曲线变化形式基本一致，其应力峰值差与初始应力差基本一致，因此，纵隔板对这5 处围焊端细节疲劳性能的影响可以忽略不计。对于最靠近纵隔板的围焊端细节，其初始应力为8MPa，应力峰值仅为29MPa，当荷载作用在横隔板正上方时，应力值较小，低于两侧工况下的主应力，并且当荷载靠近横隔板上方时，围焊端的主应力变化剧烈。因此，纵隔板提高了其两侧围焊端细节的疲劳性能，降低了此位置萌生疲劳裂纹的可能，与实桥此处裂纹数量较少现象相符合。

图7 纵隔板对疲劳应力影响范围

3 结论

本文考虑斜拉桥钢桥面板纵隔板特殊构造，在ABAQUS中建立考虑斜拉桥钢桥面板初始应力的对比分析模型，研究斜拉桥纵隔板对钢桥面板疲劳细节受力性能的影响，结论如下。

（1）纵隔板构造对研究区域各构造细节受力性能的影响主要体现在对初始应力的影响，增大了围焊端的初始应力，降低了弧形缺口的初始应力，对U肋焊趾的影响可以忽略不计。

（2）纵隔板构造对易疲劳细节初始应力的影响范围在其左右两侧2根U肋范围内。

（3）纵隔板仅提高了其两侧1 根U 肋靠近纵隔板位置横隔板-U肋焊缝末端的疲劳性能，降低了这两处疲劳开裂的可能，与实桥此位置裂纹少的现象一致。