横隔板厚度和间距对钢桥面板疲劳应力幅的影响

1横隔板厚度和间距对钢桥面板疲劳应力幅的影响*摘要：根据国内外钢箱梁的研究成果，基于某大跨径斜拉桥，分别建立以横隔板厚度和间距参数变化的三维钢箱梁板壳有限元模型A和B，分析了横隔板厚度和间距对正交异性钢桥面板典型构造细节疲劳应力幅的影响，与国内外规范进行了比较研究。研究结果表明：横隔板厚度和间距对U形肋现场对接焊缝处基本没有影响，但对其他各构造细节的疲劳应力幅均有一定影响；欧洲规范对横隔板厚度不小于10mm和间距取2.5~3.5m的建议较合理，值得借鉴。关键词：钢桥面板；横隔板；构造细节；疲劳应力幅正交异性钢桥面板具有强度高、自重轻、整体性好等优点，因此广泛应用于大跨径斜拉桥和悬索桥中。由于其结构复杂、纵横向交叉多、［1］。随着国内交通量和车辆荷载的增加，使得许多正交异性钢桥面板］，影响钢结构疲劳破坏主要因素是应力幅、构造细节和循环次数。横隔板厚度对横隔板的抗弯刚度有很大影响，进而将显著影响桥面板面外变形的大小；横隔板的间距直接影响纵肋的弹性支撑刚度大小。而在车轮荷载作用下，桥面板和纵肋往复变形引起的应力幅值直接影响其自身疲劳强度，这是产生疲劳裂纹的主要原因。裂缝的问题，国内外学者做了一些研究［3-6］。AASHTO规范［7］规定结构钢的厚度不应小于8mm，横隔板可设置在结构的两端、中间支承处和2沿全跨按一定间隔分布，且应对假定施工过程的各阶段以及设计工况进行研究后，确定横隔板的间距。Eurocode［8］规定横隔板间距与纵肋刚度应该满足的关系如图1所示，横隔板间距一般取2.5～3.5m，横隔板厚度不小于10mm。加拿大桥梁设计规范［9］10.7.2条规定：钢箱梁主要构件的连接板、端横梁、横隔板的钢板厚度均不小于10mm，在10.12.6.1条规定中间横隔板间距不得超过8m。目前，我国相关设计规范中未对钢箱梁横隔板的构造设计和计算方法加以规定。图1纵肋刚度与横肋间距的关系本文采用有限元分析法建立空间有限元模型，计算横隔板与U形肋接处、横隔板过焊孔处等4种构造细节在车轮荷载下的应力幅，得出横隔板厚度和间距对桥面板疲劳应力幅的影响。1桥面板构造细节大量疲劳开裂实例和试验研究发现，正交异性桥面板发生疲劳裂纹的构造细节可以归纳为5类［11）面板与纵肋连接部位的面板沿厚3裂缝。选取疲劳损伤出现最多的4个典型构造细节进行研究，分析4种构造细节在车轮作用下的疲劳应力幅，如图2所示。图2疲劳细节示意2有限元数值模拟车辆荷载作用下钢桥面板受力体系具有明显的局部效应，因此可从大跨径桥面体系中选取有限部分进行力学分析。本文采用有限元计算获4得的应力幅为名义应力幅，其中名义应力的应力取值位置和方向如图22.1计算模型A采用ANSYSWorkbench有限元程序进行弹性分析，分别建立以横隔板厚度参数变化的模型A和以横隔板间距参数变化的模型B。模型全长14700mm，包括5个横隔板，横隔板间距3600mm；横桥向宽3600mm，包括5根纵肋，纵肋间距600mm，尺寸为300mm×280mm×8mm；顶板厚度为16mm；横隔板厚度取8，10，12，14mm4种厚度，研究4种横隔板厚度对钢桥面板疲劳应力幅的影响。钢材采用Q345qC，弹性模量E为206000MPa，泊松比μ为0.3。采用Shell181单元模拟钢板，且模型采用映射划分，网格密度足以得到精确解；模型共划分54图3计算模型及网格划分2.2计算模型B计算模型B的纵肋尺寸和间距、钢桥面板厚度、钢材材性以及网格划分方法均与计算模型A中相同，如图3所示。近年来我国已建正交异性桥梁的横隔板间距基本在3000～4000mm之间变化，如杭州湾跨海大5桥、济南黄河大桥和南京长江三桥的横隔板间距为3750mm，青岛海湾大桥为3600mm，珠江黄埔大桥为3200mm。因此，通过对我国已建桥梁横隔板间距的统计并结合各国规范，得出横隔板间距参数取2800，3200，3600，3750，4200mm。模型包括5个横隔板，以中间横隔板为考察区域，横隔板厚度取12mm。2.3荷载和约束为了得到各构造细节的应力幅，需计算车辆荷载下各构造细节应力位置处的应力历程。通过计算分析得出单位双轮荷载计算典型构造细节的影响线，然后采用实际轴重对影响线进行加载得到应力历程。根据JTGD60-2014《公路桥涵通用规范》［10］对车轮着地面积的规定，单位双轮荷载车轮作用面积为0.6m×0.2m。应力影响线采