钢桥面板局部构造细节受力特性分析

程 苗

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司南京分公司，江苏 南京 210000)

正交异性钢桥面板构造复杂，顶板、纵肋与横肋主要采用焊缝连接，应力集中问题突出。在车轮荷载作用下，焊缝连接处易出现疲劳损伤[1，2]。目前国内采用钢箱梁的大跨径桥梁，虽然使用时间不长，但已有部分钢桥面板出现了疲劳裂纹。钢桥面板一旦出现疲劳裂纹，维修和加固都非常困难，严重影响桥梁整体安全性。因此，针对钢桥面板易出现疲劳损伤的部位，有必要研究其受力性能，从而更好评估疲劳损伤。

1 钢桥面板有限元模型

相关文献指出钢桥面板模型横向取6根及以上U肋、纵向取3个以上横隔板间距时，其计算结果与整体模型的计算结果相差不大[3]。根据江苏省江阴长江大桥设计图纸，采用通用有限元分析软件ANSYS建立钢桥面板节段模型。钢桥面板节段长12.8 m，宽4.2 m，设5道横隔板，横隔板间距3.2 m。钢桥面板顶板厚12 mm，横隔板厚10 mm，U肋尺寸为300 mm×280 mm×6 mm。模型采用Shell63板壳单元模拟，网格尺寸为0.2 m。对所选择的构造细节部位进行局部网格细化，最小单元尺寸为10 mm×10 mm。钢的弹性模量取为2.06×105MPa，泊松比取为0.3。图1为钢桥面板有限元模型。

图1 钢桥面板有限元模型

为了尽可能反映钢桥面板在实桥中的受力特点，有限元模型边界条件按如下方式施加：对横隔板约束三个方向的平动自由度和三个方向的转动自由度；对U肋两端和顶板四周则只约束三个方向的平动自由度。根据Saint-Venant原理，若采用上述边界条件，只要研究的疲劳细节距边界一定的距离，则不会与实桥中的钢桥面板产生较大偏差。

2 车轮计算荷载

参考公路桥涵通用设计规范[4]，车轮荷载的轮胎作用面积，单轮沿横桥向、顺桥向作用长度分别取0.3 m与0.2 m，双轮沿横桥向、顺桥向作用长度分别取0.6 m与0.2 m。根据大桥的等效车辆荷载模型可知，车辆的最大轴载值为150 kN(即车轮荷载为75 kN)。本文采用单轮和双轮两种形式进行加载，其横向加载位置如图2所示，不考虑铺装层对车轮荷载的扩散作用。

图2 车轮横向加载示意图

在同一车道上一般有多辆车辆行驶，或者在多个车道上有多辆车辆交替行驶，即为多车效应。由于钢桥面板的纵向、横向应力影响线均较短，所以在钢桥面板的应力幅计算中可以忽略车轮作用的相互影响。因此，在下面的分析中，不考虑多车效应导致的应力幅叠加效应，在顺桥向、横桥向仅考虑单个车轮的作用效应。

3 局部构造细节应力分析

参照钢桥面板易出现疲劳裂纹的位置及类型，对顶板与U肋连接焊缝过焊孔处和横隔板弧形缺口处的应力状态进行分析。顶板细节处取横向应力，U肋细节处取沿U肋腹板方向的应力，横隔板弧形缺口与U肋腹板连接处取垂直于焊缝方向的应力，横隔板弧形缺口有效截面最小处取竖直方向的应力。

(1)顶板与U肋连接焊缝过焊孔处应力分析。

图3为单轮和双轮作用下横向三种不同加载位置所对应的顶板与U肋连接焊缝过焊孔处顶板细节的应力影响线。由图3可知，在单轮P1和双轮P4作用下，顶板细节受力最为不利，横向最大应力分别达到-215.60 MPa和-82.66 MPa。对于顶板细节，在相同车载作用下，单轮引起的应力要比双轮引起的应力大一倍多，故增大车轮与桥面的接触面积可以改善顶板细节的受力。

图3 车载作用下顶板细节的应力影响线

图4为单轮和双轮作用下横向三种不同加载位置时顶板细节的应力分布图。由图4可知，顶板细节处的应力随距焊趾位置的增大而逐渐减小。

图4 车载作用下顶板细节应力分布图

在单轮P1和P2作用下，顶板细节距焊趾0.5t(t为顶板厚度)处的应力值比距焊趾1.5t处的应力值高47%左右，另外，顶板细节距焊趾同一位置处应力值在单轮P1作用下要比单轮P2作用下高68%左右；在双轮P4和P5作用下，顶板细节的应力分布情况基本相同，距焊趾0.5t(t为顶板厚度)处的应力值比距焊趾1.5t处的应力值高55%左右，另外，顶板细节距焊趾同一位置处应力值在双轮P4作用下要比双轮P6作用下高60%左右。

图5为单轮和双轮作用下，横向三种不同加载位置所对应的顶板与U肋连接焊缝处U肋细节的应力影响线。由图5可知，在单轮P1和双轮P4作用下，U肋细节的受力最为不利，最大应力分别达到105.39 MPa和50.16 MPa。

图5 车载作用下U肋细节的应力影响线

图6为单轮和双轮作用下横向三种不同加载位置时U肋细节的应力分布图。由图6可知，在单轮作用下，U肋细节处的应力随距焊趾位置的增大呈增大的趋势，增幅在19%～33%之间，U肋细节距焊趾同一位置处应力值在单轮P1作用下要比单轮P3作用下大6倍左右；在双轮作用下，随着距焊趾位置的增大，U肋细节处的最大增幅只有18%左右，U肋细节距焊趾同一位置处应力值在双轮P4作用下要比双轮P6作用下高64%左右。

图6 车载作用下U肋细节应力分布图

(2)横隔板弧形缺口处应力分析。

图7为单轮和双轮作用下横向三种不同加载位置所对应的横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节的应力影响线。横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节主要承受的是压应力，最大应力峰值在车轮荷载作用在横隔板旁边时出现。单轮P2和双轮P5的横向加载位置最为不利，垂直于焊缝方向的最大应力值分别为-11.60 MPa和-12.18 MPa。

图7 车载作用下横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节的应力影响线

图8为单轮和双轮作用下横向三种不同加载位置时横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节的最不利应力分布图。由图8可知，横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节处的应力随距焊趾位置的增大呈先增大后减小的趋势，这可能是由于横隔板弧形缺口引起的刚度突变造成的。

图8 车载作用下横隔板与U肋腹板连接焊缝细节的应力分布图

图9为单轮和双轮作用下横向三种不同加载位置所对应的横隔板弧形缺口有效截面最小处细节的应力影响线。由图9可知，横隔板弧形缺口有效截面最小处细节主要承受的也是压应力，最大应力峰值在车轮荷载作用于横隔板正上方时出现。单轮P2和双轮P5的横向加载位置最为不利，竖直方向的最大应力分别达到-97.73 MPa和-52.07 MPa。

图9 车载作用下横隔板弧形缺口有效截面最小处细节的应力影响线

图10为单轮和双轮作用下横向三种不同加载位置时横隔板弧形缺口有效截面最小处细节的最不利应力分布图。由图10可知，横隔板弧形缺口有效截面最小处细节的应力随距缺口边缘的增大而减小。在单轮作用下，该细节距缺口边缘5 mm处的应力值比距缺口边缘15 mm处的应力值高43%～64%，另外，该细节距缺口边缘同一位置处应力值在单轮P2作用下要比单轮P1作用下高40%左右；在双轮作用下，该细节距缺口边缘5 mm处的应力值比距缺口边缘15 mm处的应力值高55%左右，另外，该细节距缺口边缘同一位置处应力值在双轮P5作用下要比双轮P4作用下高14%左右。

图10 车载作用下横隔板弧形缺口有效截面最小处的应力分布图

4 结 论

(1)在单轮和双轮荷载作用下，顶板与U肋连接焊缝处顶板细节和U肋细节的横向最不利加载位置是一致的；横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节和横隔板弧形缺口有效截面最小处细节的横向最不利加载位置也是一致的。

(2)顶板细节和U肋细节的应力峰值都是在车轮荷载作用在横隔板正上方时出现。在单轮作用下，顶板细节的最大应力值是U肋细节的最大应力值的两倍左右；在双轮作用下，顶板细节的最大应力值比U肋细节的最大应力值大64%左右。在车载作用下，疲劳损伤更容易产生在顶板细节处，这与实际情况也是相吻合的。

(3)横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节的最大应力值都是在车轮荷载作用在横隔板旁边时出现。而对于横隔板弧形缺口有效截面最小处细节，在单轮作用下，最大应力值是在车轮荷载作用在横隔板正上方时出现；在双轮作用下，最大应力值是在车轮荷载作用在横隔板旁边时出现。另外，在单轮作用下，横隔板弧形缺口有效截面最小处细节的最大应力值要比横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节的应力值大7倍左右；在双轮作用下，横隔板弧形缺口有效截面最小处细节的最大应力值要比横隔板弧形缺口与U肋腹板连接焊缝细节的应力值大5倍左右。