高立强,施 洲,韩 冰

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

设置纵肋小隔板对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

高立强,施 洲,韩 冰

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

在正交异性钢桥面板中,横梁腹板与纵肋连接部位会因为各种原因而产生相互作用,包括横梁腹板的弯剪作用、横梁腹板对纵肋的面内支撑作用,这2种作用属于面内作用,另外还有不对称加载作用、相对纵向位移作用,这2种作用属于面外作用。通过对4种作用下设置纵肋小隔板和不设置纵肋小隔板的正交异性板结构各考察点主拉应力对比研究得到如下结论:(1)在面内作用下,设置纵肋小隔板可以提高横梁腹板与纵肋连接焊缝端部纵肋腹板的疲劳性能,但却增加了横梁腹板发生疲劳开裂的可能性;(2)在面外作用下,设置纵肋小隔板对正交异性板横梁腹板与纵肋连接焊缝端部的疲劳性能影响不大。

正交异性钢桥面板;纵肋小隔板;疲劳;应力分析

1 概述

正交异性钢桥面板因为诸多优点[1]而被很多大跨度钢结构桥梁所采用。就国内而言,早期多用于公路桥梁,如广东虎门公路悬索桥和江苏江阴公路长江大桥等;本世纪初,我国高速铁路建设快速发展,正交异性钢桥面板由于桥面整体性好、冲击小、噪声小及行车舒适性好等优点而被用来取代传统的铁路纵横梁体系明桥面,如京沪高铁南京大胜关长江大桥和济南黄河大桥即采用该类型桥面。

正交异性板构造复杂,焊缝很多,疲劳开裂问题历来备受重视,国内外都有关于正交异性板疲劳开裂的报道[1-12]。纵肋与横梁的连接部位是其中一个重要的连接构造,与此构造相关的疲劳开裂形式很多,早期的纵肋与横梁的连接构造是纵肋在横梁处断开,然后通过角焊缝与横梁腹板相连,这种构造后来被证明疲劳性能很差,现在已不采用[1],目前该构造都是采用的连续纵肋穿过横梁腹板,为了便于校正安装误差和减小焊接残余应力,以及当横梁抗扭刚度较大时减小面外作用产生的次应力,一般要在纵肋下方的横梁腹板上开孔。

纵肋和横梁腹板连接焊缝端部是采用新型连接方式的正交异性板主要的疲劳敏感部位,纵肋和横梁腹板连接焊缝端部附近的应力产生原因异常复杂,归纳起来有4点,分别为横梁的弯剪作用、横梁对纵肋的面内支撑作用、不对称加载作用和纵肋与横梁的相对纵向位移。为改善该构造的疲劳性能,美国公路桥梁设计规范(AASHTO)[13]中提出在纵肋与横梁腹板连接处纵肋内部设置小隔板,本文从纵肋和横梁腹板连接焊缝端部附近的应力产生的原因入手,考察在各种作用条件下设置小隔板对应力的影响情况,以此来考察小隔板在改善疲劳性能方面的作用效果及作用机理。

2 结构设计及有限元模型

图1给出了纵肋不设置小隔板和设置小隔板时的横截面图,小隔板上缘距顶板下表面20 mm,小隔板下缘距横梁腹板开孔顶部也为20 mm,2种结构的其他设计参数均相同。

图1 纵肋不设置与设置小隔板横截面(单位:mm)

图2 给出了各应力考察点的位置,2种结构的应力考察点的位置相同,均为纵肋右侧纵肋与横梁腹板连接焊缝端部,1、2、3点为纵肋和横梁连接焊缝端部纵肋一侧的点,1、2点位于横梁腹板左右侧距离焊根30 mm处,3点位于横梁腹板位置距离焊根20 mm处; 4点为纵肋与横梁连接焊缝端部横梁腹板一侧的点,该点距离焊根25 mm,距离开孔边缘15 mm。考虑到疲劳开裂多是由拉应力造成的,各考察点均考察主拉应力。

图2 应力考察点位置示意(无小隔板)(单位:mm)

计算模型及加载方式选取的原则是体现考察的主要作用,尽量排除其他作用的影响。

考察横梁弯剪作用时,采用具有5根纵肋的正交异性板结构,横梁两侧各取250 mm,横梁高800 mm,长3 000 mm,如图3所示,采用闭口梯形纵肋,顶宽300 mm,底宽170 mm,纵肋板厚10 mm,顶板、横梁腹板板厚均为16 mm。对横梁两端进行简支约束,在中间纵肋腹板之间的顶板施加均布面力,大小为1 200 kN/m2,以不设置小隔板的结构为例给出有限元模型如图4所示,钢板采用壳单元来模拟,单元尺寸10 mm。

图3 弯剪作用结构设计及加载图(无小隔板)(单位:mm)

图4 考察弯剪作用结构FEM图(无小隔板)

考察支撑作用、不对称加载和相对纵向位移的计算模型相同,只是边界条件与加载方式不同。结构由1根纵肋、横梁及顶板构成,各板件厚度与考察弯剪作用结构相同,结构纵向500 mm,横梁两侧各250 mm,长度600 mm,如图5所示。考察不同的作用时,边界条件和加载方式有所不同,考察支撑作用时,在横梁底部固结,在纵肋腹板之间顶板沿横梁对称施加均布面力;考察不对称加载作用时,在横梁两个端部固结,在纵肋腹板之间横梁一侧顶板施加均布面力;考察纵肋和横梁的相对纵向位移时,在横梁两个端部固结,在纵肋下缘及顶板中间施加水平纵向力。以不设置小隔板的结构给出有限元模型如图6所示,钢板采用壳单元来模拟,单元尺寸10 mm。

3 各种作用下考察点应力对比研究

弯剪作用和横梁腹板对纵肋的支撑作用属于面内作用,不对称加载及相对纵向位移属于面外作用,通过有限元计算,分别考察2种结构形式各种作用下的各考察点主拉应力情况。

图5 支撑作用、不对称加载及相对纵向位移结构设计及加载图(无小隔板)(单位:mm)

图6 考察支撑作用、不对称加载及相对纵向位移结构FEM图(无小隔板)

3.1 弯剪作用

横梁受弯剪作用时,由于纵肋和横梁腹板通过双面角焊缝焊接在一起,纵肋腹板与横梁连接焊缝端部会由于两者的相互作用而出现明显的应力集中现象。当不设置小隔板时,横梁腹板在纵肋处断开,横梁腹板中的剪力和轴力将通过纵肋传递,由此会导致纵肋和横梁腹板之间的相互作用,其变形形状如图7(a)所示;当在纵肋中设置小隔板时,横梁腹板得以连续,上面提到的相互作用仍然存在,但纵肋和横梁腹板之间的相对变形量减小,其变形形状如图7(b)所示。

图7 弯剪作用下2种结构形式变形情况对比

具体来说,由于纵肋与横梁的连接部位一般位于中性轴的上面,如图1所示,本例中横梁中性轴位于距离纵肋底缘43.7 mm,受弯会使得纵肋腹板与横梁腹板之间相互挤压,越靠近横梁中间横梁弯矩越大,挤压作用就越强,就本例而言,纵肋Ⅱ的挤压作用大于纵肋Ⅰ。受剪会使得纵肋有转动的趋势,这种变形使得纵肋两侧会出现一侧受拉、另一侧受压的现象,由于剪切变形的累积越靠近横梁端部剪切作用产生的应力就越大,就本例而言,剪切作用对纵肋Ⅰ的影响大于纵肋Ⅱ。各部位的应力都是受弯、受剪共同作用的结果。

表1给出了2种结构形式各考察点的主拉应力数值。

表1 弯剪作用下考察点主拉应力对比___MPa

可以看出对于2种结构形式来说,纵肋Ⅰ各点的主拉应力均大于纵肋Ⅱ,无小隔板时纵肋Ⅰ的1、2、3、4点的应力分别为26.82、27.05、30.65、6.68 MPa,纵肋Ⅱ的1、2、3、4点的应力分别为10.49、10.59、11.72、3.63 MPa,有小隔板时纵肋Ⅰ的1、2、3、4点的应力分别为8.26、5.26、9.96、38.42 MPa,纵肋Ⅱ的1、2、3、4点的应力分别为4.50、4.50、8.59、24.52 MPa,这也证明了前面的定性分析结论,与纵肋Ⅱ相比,纵肋Ⅰ处的横梁剪力较大,弯矩较小,横梁腹板对纵肋的拉的作用较大,而压的作用较小。

设置小隔板后,纵肋腹板应力显著减小,纵肋Ⅰ的1、2、3点应力由26.82、27.05、30.65 MPa减小为8.26、5.26、9.96 MPa,纵肋Ⅱ的1、2、3点应力由10.49、10.59、11.72 MPa减小为4.50、4.50、8.59 MPa;而横梁腹板的应力则显著增大,纵肋Ⅰ的4点应力由6.68 MPa增大为38.42 MPa,纵肋Ⅱ的4点应力由3.36 MPa增大为24.52 MPa。这是由于设置小隔板后,横梁腹板在纵肋处得以连续,横梁腹板和纵肋之间的相互作用很大程度上变成了横梁腹板与小隔板之间的相互作用,纵肋腹板的变形减小,而横梁腹板的支撑刚度增大,由纵肋腹板支撑转变成了纵肋腹板和小隔板共同支撑,所以纵肋腹板的应力减小,而横隔板的应力增大。

可见设置小隔板对于弯剪作用下纵肋腹板的疲劳性能改善是有利的,却增加了横梁腹板开裂的可能性。

3.2 面内支撑作用

面内支撑作用是指轮压刚好位于纵肋顶部时,横梁腹板会对纵肋产生支撑作用,由于纵肋底部开孔的存在,导致纵肋腹板与横梁腹板之间产生相互挤压、竖向的相互错动的趋势,其变形形状如图8所示,其中相互错动会在连接焊缝端部产生拉应力,纵肋腹板是面外的弯曲应力,横梁腹板是面内的薄膜应力。

图8 支撑作用下2种结构形式变形情况对比

表2给出了面内支撑作用下2种结构形式各考察点的主拉应力情况。

表2 支撑作用下考察点主拉应力对比 MPa

从表2可以看出,与弯剪作用时类似,设置小隔板后纵肋腹板应力显著减小,1、2、3点主拉应力由35.77、34.85、42.18 MPa减小为18.21、18.32、27.05 MPa,;而横梁腹板的应力则显著增大,4点应力由6.70 MPa增大为29.28 MPa。与弯剪作用同为面内作用,产生的原因也较为类似,设置小隔板后,横梁腹板与纵肋之间的连接转换为横梁腹板与纵肋和小隔板之间的连接,使得原来由纵肋腹板分担的荷载很大一部分由小隔板分担,纵肋腹板应力减小,横隔板所受的支撑刚度增大,其应力也显著增大。

可见与弯剪作用类似,设置小隔板对于面内支撑作用下纵肋腹板的疲劳性能改善是有利的,但增加了横梁腹板开裂的可能性。

3.3 不对称加载

不对称加载作用是指荷载作用在横梁一侧时,可能出现纵肋与横梁腹板相对转动的现象,这种转动会在纵肋与横梁腹板连接焊缝端部产生应力集中。与前面提到的2种作用不同,对于横梁腹板来说,不对称加载会使得横梁腹板产生很大的面外变形,其变形形状如图9所示。

表3给出了不对称加载作用下2种结构形式的各考察点的主拉应力情况。

表3 不对称加载作用下考察点主拉应力对比_MPa

图9 不对称加载作用下2种结构形式变形情况对比

由表3可以看出,与面内作用不同,不对称加载属于面外作用,设置小隔板对横梁腹板与纵肋连接焊缝端部的应力影响不大,设置小隔板后纵肋腹板的应力稍有减小,1、2、3点的应力分别由71.78、67.19、51.09 MPa变为67.25、62.89、53.14 MPa;横梁腹板的应力稍有增大,4点的应力由139.76 MPa变为147.03 MPa。这种应力的变化也是由于小隔板减小了纵肋腹板的变形、增加了横梁腹板的支撑刚度导致的,这里的支撑刚度主要指转动自由度方向,但相对于对面内作用的影响,小隔板对面外作用的影响很小。

3.4 相对纵向位移

在桁架桥中采用正交异性板时,可能由于桥面与弦杆的共同作用而使得纵肋和横梁腹板之间发生相对纵向位移,由于切孔的存在,还会与不对称加载一样伴随着相对转动,在纵肋与横梁腹板连接焊缝端部就会出现应力集中现象,这也是一种面外效应,其变形形状如图10所示。

图10 相对纵向位移作用下2种结构形式变形情况对比

表4给出了相对纵向位移作用下2种结构形式的各考察点的主拉应力情况。

表4 相对纵向位移下考察点主拉应力对比_MPa

由表4可以看出,与不对称加载时的情况一样,设置小隔板后纵肋腹板的应力稍有减小,1、2、3点的应力分别由20.08、16.81、13.96 MPa变为19.07、15.28、10.94 MPa;横梁腹板的应力稍有增大,4点的应力由43.23 MPa变为44.38 MPa。产生这种结果的原因与不对称加载时也是一样的,因此相对纵向位移作用下,小隔板对横梁腹板与纵肋连接焊缝端部附近的应力影响很小。

4 结论

通过对各种作用下设置纵肋小隔板和不设置纵肋小隔板的正交异性板结构各考察点主拉应力对比研究,可以总结得到以下结论。

(1)在弯剪作用和支撑作用这2种面内作用下,设置纵肋小隔板可以使得横梁腹板与纵肋连接焊缝端部纵肋腹板应力大幅减小,横梁腹板应力大幅增加,即提高了纵肋腹板的疲劳性能却增加了横梁腹板发生疲劳开裂的可能性。

(2)在不对称加载和相对纵向位移这2种面外作用下,设置纵肋小隔板后横梁腹板与纵肋连接焊缝端部纵肋腹板应力稍有减小,横梁腹板应力稍有增加,即设置小隔板对面外作用时正交异性板该部位的疲劳性能影响不大。

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Influence Study of Using Longitudinal Rib Bulkhead upon Fatigue Performance of Orthotropic Steel Bridge Deck

GAO Li-qiang,SHI Zhou,HAN Bing
(School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

In orthotropic steel bridge deck,the mutual effects between the crossbeam web and the longitudinal rib may be resulted because of many factors,among which both the bending-shearing effect of crossbeam web and the in-plane supporting effect of crossbeam web on the longitudinal rib belong to in-plane effects,while both the unsymmetrical loading effect and the relative longitudinal displacement effect belong to out-of-plane effects.Through comparative study on principal tensile stresses of all investigated points of orthotropic steel bridge deck using longitudinal rib bulkhead and not using longitudinal rib bulkhead under the four effects,some conclusions are obtained:1)Under the action of in-plane effects,using longitudinal rib bulkhead can enhance anti-fatigue performance of longitudinal rib web near the end of weld joint between crossbeam web and longitudinal rib,but will increase the cracking possibility of the crossbeam web.2)Under the action of out-of-plane effects,using longitudinal rib bulkhead has little effect on fatigue performance of orthotropic steel deck near the end of weld joint between crossbeam web and longitudinal rib.

orthotropic steel bridge deck;longitudinal rib bulkhead;fatigue;stress analysis

U441+.4

A

1004-2954(2013)03-0066-04

20120703;

20120710

铁道部重大课题子课题(2009G004-C-2)

高立强(1984—),男,博士研究生,E-mail:gaoliqiang1984@ 126.com。