橫隔板厚度和間距對鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響

1橫隔板厚度和間距對鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響*摘要：根據(jù)國內(nèi)外鋼箱梁的研究成果，基于某大跨徑斜拉橋，分別建立以橫隔板厚度和間距參數(shù)變化的三維鋼箱梁板殼有限元模型A和B，分析了橫隔板厚度和間距對正交異性鋼橋面板典型構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力幅的影響，與國內(nèi)外規(guī)范進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果表明：橫隔板厚度和間距對U形肋現(xiàn)場對接焊縫處基本沒有影響，但對其他各構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力幅均有一定影響；歐洲規(guī)范對橫隔板厚度不小于10mm和間距取2.5~3.5m的建議較合理，值得借鑒。關(guān)鍵詞：鋼橋面板；橫隔板；構(gòu)造細(xì)節(jié)；疲勞應(yīng)力幅正交異性鋼橋面板具有強(qiáng)度高、自重輕、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于大跨徑斜拉橋和懸索橋中。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、縱橫向交叉多、［1］。隨著國內(nèi)交通量和車輛荷載的增加，使得許多正交異性鋼橋面板］，影響鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞主要因素是應(yīng)力幅、構(gòu)造細(xì)節(jié)和循環(huán)次數(shù)。橫隔板厚度對橫隔板的抗彎剛度有很大影響，進(jìn)而將顯著影響橋面板面外變形的大?。粰M隔板的間距直接影響縱肋的彈性支撐剛度大小。而在車輪荷載作用下，橋面板和縱肋往復(fù)變形引起的應(yīng)力幅值直接影響其自身疲勞強(qiáng)度，這是產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因。裂縫的問題，國內(nèi)外學(xué)者做了一些研究［3-6］。AASHTO規(guī)范［7］規(guī)定結(jié)構(gòu)鋼的厚度不應(yīng)小于8mm，橫隔板可設(shè)置在結(jié)構(gòu)的兩端、中間支承處和2沿全跨按一定間隔分布，且應(yīng)對假定施工過程的各階段以及設(shè)計(jì)工況進(jìn)行研究后，確定橫隔板的間距。Eurocode［8］規(guī)定橫隔板間距與縱肋剛度應(yīng)該滿足的關(guān)系如圖1所示，橫隔板間距一般取2.5～3.5m，橫隔板厚度不小于10mm。加拿大橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［9］10.7.2條規(guī)定：鋼箱梁主要構(gòu)件的連接板、端橫梁、橫隔板的鋼板厚度均不小于10mm，在10.12.6.1條規(guī)定中間橫隔板間距不得超過8m。目前，我國相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中未對鋼箱梁橫隔板的構(gòu)造設(shè)計(jì)和計(jì)算方法加以規(guī)定。圖1縱肋剛度與橫肋間距的關(guān)系本文采用有限元分析法建立空間有限元模型，計(jì)算橫隔板與U形肋接處、橫隔板過焊孔處等4種構(gòu)造細(xì)節(jié)在車輪荷載下的應(yīng)力幅，得出橫隔板厚度和間距對橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響。1橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)大量疲勞開裂實(shí)例和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，正交異性橋面板發(fā)生疲勞裂紋的構(gòu)造細(xì)節(jié)可以歸納為5類［11）面板與縱肋連接部位的面板沿厚3裂縫。選取疲勞損傷出現(xiàn)最多的4個典型構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行研究，分析4種構(gòu)造細(xì)節(jié)在車輪作用下的疲勞應(yīng)力幅，如圖2所示。圖2疲勞細(xì)節(jié)示意2有限元數(shù)值模擬車輛荷載作用下鋼橋面板受力體系具有明顯的局部效應(yīng)，因此可從大跨徑橋面體系中選取有限部分進(jìn)行力學(xué)分析。本文采用有限元計(jì)算獲4得的應(yīng)力幅為名義應(yīng)力幅，其中名義應(yīng)力的應(yīng)力取值位置和方向如圖22.1計(jì)算模型A采用ANSYSWorkbench有限元程序進(jìn)行彈性分析，分別建立以橫隔板厚度參數(shù)變化的模型A和以橫隔板間距參數(shù)變化的模型B。模型全長14700mm，包括5個橫隔板，橫隔板間距3600mm；橫橋向?qū)?600mm，包括5根縱肋，縱肋間距600mm，尺寸為300mm×280mm×8mm；頂板厚度為16mm；橫隔板厚度取8，10，12，14mm4種厚度，研究4種橫隔板厚度對鋼橋面板疲勞應(yīng)力幅的影響。鋼材采用Q345qC，彈性模量E為206000MPa，泊松比μ為0.3。采用Shell181單元模擬鋼板，且模型采用映射劃分，網(wǎng)格密度足以得到精確解；模型共劃分54圖3計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分2.2計(jì)算模型B計(jì)算模型B的縱肋尺寸和間距、鋼橋面板厚度、鋼材材性以及網(wǎng)格劃分方法均與計(jì)算模型A中相同，如圖3所示。近年來我國已建正交異性橋梁的橫隔板間距基本在3000～4000mm之間變化，如杭州灣跨海大5橋、濟(jì)南黃河大橋和南京長江三橋的橫隔板間距為3750mm，青島海灣大橋?yàn)?600mm，珠江黃埔大橋?yàn)?200mm。因此，通過對我國已建橋梁橫隔板間距的統(tǒng)計(jì)并結(jié)合各國規(guī)范，得出橫隔板間距參數(shù)取2800，3200，3600，3750，4200mm。模型包括5個橫隔板，以中間橫隔板為考察區(qū)域，橫隔板厚度取12mm。2.3荷載和約束為了得到各構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅，需計(jì)算車輛荷載下各構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力位置處的應(yīng)力歷程。通過計(jì)算分析得出單位雙輪荷載計(jì)算典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的影響線，然后采用實(shí)際軸重對影響線進(jìn)行加載得到應(yīng)力歷程。根據(jù)JTGD60-2014《公路橋涵通用規(guī)范》［10］對車輪著地面積的規(guī)定，單位雙輪荷載車輪作用面積為0.6m×0.2m。應(yīng)力影響線采