鄂东桥钢箱梁局部受力分析

1、鄂东桥钢箱梁方案力学分析比较鄂东桥悬索桥方案钢箱梁初步拟定的横隔板间距及布置如下：4（3.75）米间距实腹式横隔板（相邻两横隔板中间在钢箱梁顶板下设置一高度为550mm的矮T形加劲肋）与3米实腹式横隔板的布置方式。本部分针对参数相同、横隔板形式及间距不同的钢箱梁，分别就有桥面铺装（钢桥面铺装）和无桥面铺装（裸梁）状态下的局部梁段，运用有限元方法对其进行力学分析比较，并在此基础上，对不同横隔板布置的钢箱梁标准梁段进行了大致的用钢量分析。一、 不同横隔板布置的钢桥面铺装体系梁段局部力学分析比较由于正交异性钢桥面板铺装特殊的使用条件，对铺装材料的强度、变形稳定性、疲劳耐久性等提出了更高的要求，作为桥

2、梁结构的重要组成部分，桥面铺装的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁耐久性及投资效益和社会效益；由于扁平流线型钢箱梁的桥面板是由纵向加劲肋、横隔板及面板所构成的正交异性板，纵向加劲肋、横隔板在提高桥梁整体结构承载力的同时对沥青铺装层的受力却有着不良的影响，国内外已有不少钢桥面铺装层受力破坏的情况。在此，有必要对该钢桥钢桥面铺装体系进行力学分析。钢桥面铺装层由于受力原因引起的破损简单归纳为一下几种：局部应力集中与疲劳，在循环往复的车载作用下，形成疲劳裂缝，如钢桥面板的纵横隔板和纵向加劲肋上方出现的有规律的裂缝；剪切破坏，由于铺装层内部存在的较大剪应力引起剪切变形，在铺装层与桥面板层间沿水平方

3、向产生相对位移；挠曲破坏，因车载作用或温度变化，桥面铺装层表面出现负弯矩，进而引起铺装层上缘的拉应力（拉应变），当拉应力（拉应变）超出材料的抗拉极限便产生开裂；局部冲压破坏，如纵缝附近或粘结层薄弱处，出现局部裂缝或网状裂缝。根据以上桥面铺装层受力破坏的主要形式，在此主要计算不同横隔板布置的钢桥面铺装层的纵横桥向的最大拉应力与最大拉应变及铺装层表面最大弯沉（桥面铺装层在车辆荷载作用下的绝对竖向位移）；钢桥面板的纵横桥向的最大拉应力与最大拉应变及最大竖向位移；纵向U形加劲肋的纵横桥向最大拉应力与最大拉应变及最大弯沉；横隔板的最大拉应力及位移等。1 有限元模型及物理参数使用有限元软件ANSYS6.0

4、建模分析，横隔板及U形加劲肋采用SHELL63板壳单元模拟，钢桥面板及SMA（沥青玛蹄脂碎石混合料）铺装层采用SOLID45空间8节点等参元模拟，桥面自桥梁中心线沿横桥向取八个U形加劲肋，纵桥向取三跨，包括四块横隔板，具体有限元模型见图1所示。本模型参数均取自该悬索桥方案标准梁段，详细参数如下所示：U形加劲肋高度为280mm，肋开口宽度300mm，肋闭口宽度170mm，厚度6mm，两相邻加劲肋中心间距600mm；横隔板高度为3m，厚度为8mm（非吊索处）；钢桥面板厚度为12mm；T形加劲肋板规格为550×200×10mm；铺装层为SMA铺装，厚度为70mm。材料特性如下表所

5、示： 表1 材料特性汇总表 Q345qD钢材7cm厚SMA弹性模量E(N/M2)2.06E116.8E+08泊松比0.30.3 4（3.75）米间距横隔板钢桥面铺装体系局部模型3米间距横隔板钢桥面铺装体系局部模型图1 有限元模型2 计算假设及作用荷载计算时假设钢板和铺装层完全连续，铺装材料为线弹性材料，且不计铺装结构自重的影响。模型的约束条件如下：横隔板底部完全约束，横向钢板及铺装层边缘无横向水平位移，纵向钢板及铺装层边缘无纵向水平位移，其中纵向是车辆行驶的方向，也就是顺桥向。根据规范，车轮与铺装接触面积为600mm（横桥向）×200mm（顺桥向），车辆的后轴重为140KN，则作用在

6、铺装层上的压力为0.583MPa，乘以冲击系数1.4，得到作用在铺装层上的压力为0.816Mpa。沿顺桥向，对于4（3.75）米间距横隔板布置的钢箱梁考虑两种加载工况，工况一将最不利载荷位置于实腹式横隔板与T形加劲肋板的正中间，工况二将最不利载荷位置于中间一道T形加劲肋板的正上方，经计算比较可知，工况一为最不利加载位置；对于3米间距横隔板布置的钢箱梁，只考虑一种工况，就是将最不利载荷位置于两道实腹式横隔板的正中间。沿横桥向，载荷位位置均相同。顺桥向载荷位具体位置见图2所示，横桥向载荷位具体位置见图3所示。工况一 4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段工况二 4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体

7、系局部梁段 3米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段图2 矩形均布荷载荷位图（顺桥向）（长度单位：mm）图3 矩形均布荷载荷位图（横桥向）3 主要计算结果整理首先，工况一计算结果整理。将桥面铺装层、顶板、横隔板、T形加劲肋板及纵向U形加劲肋纵横桥向应力及应变、位移列表如下： 表2 应力、应变及位移列表（工况一）7cmSMA顶板实腹式横隔板T形加劲肋板纵向U形加劲肋4米3.75米3米4米3.75米3米4米3.75米3米4米3.75米3米4米3.75米3米横桥向最大拉应力(MPa)0.230.210.3350.349.256.73.362.942.3612.513.614.516.318.8横桥

8、向最大拉应变(10-6)32430346020820323923.920.916.65761.963.258.976.8顺桥向最大拉应力(MPa)0.080.070.0819.519.319.70.350.4504964横桥向最大拉应变(10-6)12611411455.350.249.53127.627.124.926.2237233304最大竖向位移(mm)0.910.881.30.870.841.270.173(顺)0.159(顺)0.185(顺)0.350.350.660.621.01最大主拉应力(Mpa)0.230.210.3350.349.256.77.446.495.1618.8

9、20.7504964由上表可见，实腹式横隔板与T形加劲肋板交替布置的箱梁受力要好于仅布置实腹式横隔板的箱梁。另外，整体模型的变形图及构件的应力、位移图如图4、图5、图6所示：4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段整体变形图铺装层横桥向应力云图 铺装层顺桥向应力云图铺装层竖向位移变形图 顶板横桥向应力云图 顶板顺桥向应力云图 顶板竖向位移变形图 横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图 横隔板顺桥向位移变形图 T形加劲肋板横桥向应力云图T形加劲肋板顺桥向应力云图 T形加劲肋板竖向位移变形图U形加劲肋横桥向应力云图 U形加劲肋顺桥向应力云图U形加劲肋竖向位移变形图 图4 4米间距横隔板布置的

10、钢桥面铺装体系局部模型应力、位移变形图3.75米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段整体变形图铺装层横桥向应力云图 铺装层顺桥向应力云图铺装层竖向位移变形图 顶板横桥向应力云图顶板顺桥向应力云图 顶板竖向位移变形图横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图横隔板顺桥向位移变形图 T形加劲肋板横桥向应力云图 T形加劲肋板顺桥向应力云图 T形加劲肋板竖向位移变形图U形加劲肋横桥向应力云图 U形加劲肋顺桥向应力云图U形加劲肋竖向位移变形图图5 3.75米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部模型应力、位移变形图 3米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段整体变形图铺装层横桥向应力云图 铺装层顺桥向应力

11、云图铺装层竖向位移变形图 顶板横桥向应力云图顶板横桥向应力云图 顶板竖向位移变形图横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图横隔板顺桥向位移变形图 U形加劲肋横桥向应力云图U形加劲肋顺桥向应力云图 U形加劲肋竖向位移变形图 图6 3米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部模型应力、位移图其次，工况二计算结果整理。对于4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系，将两种工况的计算结果对比列表如下（表3）： 表3 4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系应力、应变及位移列表7cmSMA顶板实腹式横隔板T形加劲肋板纵向U形加劲肋工况一工况二工况一工况二工况一工况二工况一工况二工况一工况二横桥向最大拉应力(MPa)0.2

12、30.08650.336.53.360.59912.519.514.525.8横桥向最大拉应变(106)32425120814323.95.34579363.293.8顺桥向最大拉应力(MPa)0.0820.03219.519.90.350.6265022.9横桥向最大拉应变(106)12614655.340.1318.5724.979.1237105最大竖向位移(mm)0.9070.830.8690.7860.173(顺)0.126(顺)0.3460.5920.6550.595最大主拉应力(Mpa)0.230.21350.336.57.441.9218.826.85034.3由表中可看出，工

13、况二偏安全一些。另外，将工况二下，4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段整体模型的变形图及构件的应力、位移图如图7所示：4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段整体变形图（工况二）铺装层横桥向应力云图 铺装层顺桥向应力云图铺装层竖向位移变形图 顶板横桥向应力云图顶板顺桥向应力云图 顶板竖向位移变形图横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图 横隔板顺桥向位移变形图 T形加劲肋板横桥向应力云图T形加劲肋板顺桥向应力云图 T形加劲肋板竖向位移变形图 U形加劲肋横桥向应力云图 U形加劲肋顺桥向应力云图U形加劲肋竖向位移变形图图7 4米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部模型应力、位移图（工况二）

14、对于3.75米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系，将两种工况的计算结果对比列表如下（表4）： 表4 3.75米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系应力、应变及位移列表7cmSMA顶板实腹式横隔板T形加劲肋板纵向U形加劲肋工况一工况二工况一工况二工况一工况二工况一工况二工况一工况二横桥向最大拉应力(MPa)0.2140.08949.236.52.940.63713.618.316.324.5横桥向最大拉应变(106)30325120314320.95.4461.987.558.989.4顺桥向最大拉应力(MPa)0.0740.03119.320.10.3950.64921.9横桥向最大拉应变(106)11

15、414550.24127.68.6726.277.9233102最大竖向位移(mm)0.8760.7570.8380.7130.159(顺)0.114(顺)0.3510.520.6220.523最大主拉应力(Mpa)0.2140.21449.236.56.491.6720.725.64932.9由表中可看出，工况二偏安全一些。另外，将工况二下，3.75米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段整体模型的变形图及构件的应力、位移图如图8所示：3.75米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部梁段整体变形图（工况二） 铺装层横桥向应力云图 铺装层顺桥向应力云图铺装层竖向位移变形图 顶板横桥向应力云图顶板顺

16、桥向应力云图 顶板竖向位移变形图 横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图 横隔板顺桥向位移变形图 T形加劲肋板横桥向应力云图T形加劲肋板顺桥向应力云图 T形加劲肋板竖向位移变形图 U形加劲肋横桥向应力云图 U形加劲肋顺桥向应力云图 U形加劲肋竖向位移变形图图8 3.75米间距横隔板布置的钢桥面铺装体系局部模型应力、位移图（工况二）二、 不同横隔板布置的钢箱梁局部梁段（不计桥面铺装）力学分析比较本部分模型简化及荷载参数设置同前，计算裸梁（不计桥面铺装）体系下钢箱梁局部梁段受力分析。首先，将工况一计算结果列如下：表5 应力、应变及位移列表（工况一）顶板实腹式横隔板T形加劲肋板纵向U形加劲肋4米

17、3.75米3米4米3.75米3米4米3.75米3米4米3.75米3米横桥向最大拉应力(MPa)1421421393.243.063.3413.513.416.216.420.1横桥向最大拉应变(106)63463259423.922.622.964.163.5108105124顺桥向最大拉应力(MPa)78.277.979.90.3860.39257.153.974横桥向最大拉应变(106)19019218232.730.634.233.832.2274259353最大竖向位移(mm)1.2871.1931.7820.189(顺)0.17(顺)0.206(顺)0.4120.3770.7810.

18、6971.213最大主拉应力(Mpa)1421421397.767.416.3119.919.957.153.974另外，整体模型的变形图及构件的应力、位移图如图9、图10、图11所示： 4米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段整体变形图（工况一）顶板横桥向应力云图 顶板顺桥向应力云图 顶板竖向位移变形图 横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图 横隔板顺桥向位移变形图 T形加劲肋板横桥向应力云图 T形加劲肋板顺桥向应力云图 T形加劲肋板竖向位移变形图 U形加劲肋横桥向位移变形图 U形加劲肋顺桥向应力云图 U形加劲肋竖向位移变形图 图9 4米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段应力、位移图（工况一）3.

19、75米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段整体变形图（工况一） 顶板横桥向应力云图 顶板顺桥向应力云图顶板竖向位移变形图 横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图 横隔板顺桥向位移变形图 T形加劲肋板横桥向应力云图 T形加劲肋板顺桥向应力云图 T形加劲肋板竖向位移变形图 U形加劲肋横桥向应力云图 U形加劲肋顺桥向应力云图 U形加劲肋竖向位移变形图图10 3.75米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段应力、位移图（工况一） 3米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段整体变形图（工况一）顶板横桥向应力云图 顶板顺桥向应力云图顶板竖向位移变形图 横隔板横桥向应力云图横隔板顺桥向应力云图 横隔板顺桥向位移变形图U形加劲

20、肋横桥向应力云图 U形加劲肋顺桥向应力云图U形加劲肋竖向位移变形图图11 3米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段应力、位移图（工况一）其次，裸梁状态下，工况二计算结果整理。对于4米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段，将两种工况的计算结果对比列表如下（表6）： 表6 4米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段应力、应变及位移列表顶板实腹式横隔板T形加劲肋板纵向U形加劲肋工况一工况二工况一工况二工况一工况二工况一工况二横桥向最大拉应力(MPa)1421253.240.71813.519.716.226.2横桥向最大拉应变(106)63452823.95.7564.193.8108203顺桥向最大拉应力(MPa)7

21、8.283.70.3860.63157.128.4横桥向最大拉应变(106)19023032.78.8833.847.1274115最大竖向位移(mm)1.2871.1620.189(顺)0.137(顺)0.4120.6390.7810.65最大主拉应力(Mpa)1421257.761.3819.927.357.195.4另外，将工况二下，4米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段整体模型的变形图及构件的应力、位移图如图12所示：4米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段整体变形图（工况二） 顶板横桥向应力云图 顶板顺桥向应力云图 顶板竖向位移变形图 横隔板横桥向应力云图 横隔板顺桥向应力云图 横隔板顺桥向位

22、移变形图 T形加劲肋板横桥向应力云图 T形加劲肋板顺桥向应力云图 T形加劲肋板竖向位移变形图 U形加劲肋横桥向应力云图 U形加劲肋顺桥向应力云图 U形加劲肋竖向位移变形图图12 4米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段应力、位移图（工况二）对于3.75米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段，将两种工况的计算结果对比列表如下（表7）： 表7 3.75米间距横隔板布置的钢箱梁局部梁段应力、应变及位移列表顶板实腹式横隔板T形加劲肋板纵向U形加劲肋工况一工况二工况一工况二工况一工况二工况一工况二横桥向最大拉应力(MPa)1421243.060.74613.418.616.424.9横桥向最大拉应变(106)63252422.65.8363.588.8105201顺桥向最大拉应力(MPa)77.983.50.3920.60553.928.2横桥向最大拉应变(106)19223130.68.9432.246.4259109最大竖向位移(mm)1.1931.0760.17(顺)0.1