輪載對大挑臂鋼箱梁疲勞細節(jié)應(yīng)力影響研究

周 謀,陳良軍

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

正交異性鋼橋面板因其承載力強、自重小等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但因輪載的反復(fù)作用其疲勞強度問題仍普遍存在。正交異性鋼橋面板各疲勞細節(jié)應(yīng)力狀態(tài)主要受第二、第三體系影響[1-3]，已有的研究表明輪載的影響范圍有明顯的局部效應(yīng)[4-5]。傳統(tǒng)鋼箱梁正交異性鋼橋面板的橫隔體系為實腹式的橫隔板，疲勞細節(jié)應(yīng)力狀態(tài)的橫向影響范圍約為2～3個縱肋，縱向影響范圍約為2個橫隔板間距[6-7]。

與傳統(tǒng)鋼箱梁不同，大挑臂鋼箱梁正交異性鋼橋面板為減輕自重，采用空腹式的橫隔體系，由橫梁和大挑臂構(gòu)成，橫梁根部和大挑臂根部分別支撐在主箱上下端，橫梁的挑臂支承處另設(shè)置了中縱梁。大挑臂鋼箱梁結(jié)構(gòu)特殊，橫向尺度大，橫梁支撐點附近區(qū)域的疲勞細節(jié)受力發(fā)生改變，橫向不同區(qū)域疲勞細節(jié)的應(yīng)力差異大。同時在第二體系下，輪載不僅會影響附近區(qū)域疲勞細節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)，還會使橫梁中產(chǎn)生較大的橫向內(nèi)力。這使得疲勞細節(jié)應(yīng)力狀態(tài)的橫向影響范圍不再局限于2～3個縱肋，輪載存在跨區(qū)域影響特點。因此本文建立大挑臂鋼箱梁主梁節(jié)段有限元模型，分析輪載作用下，橫向各區(qū)域疲勞細節(jié)第一主應(yīng)力縱向歷程的異同，并針對橫梁腹板開孔細節(jié)，探究主導(dǎo)跨區(qū)域影響的橫向內(nèi)力。

1 工程背景及有限元模型

以某公鐵平層橋梁為例，選取大挑臂鋼箱梁主梁節(jié)段進行研究。為增大通航凈空，主梁采用節(jié)段高度低的大挑臂鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，中間主箱部分承受鐵路荷載，兩側(cè)挑臂部分承受公路荷載。該橋1/2橋?qū)掃_24.8 m，其中懸臂段共16.0 m，大挑臂橫向長度10.0 m，見圖1。其正交異性鋼橋面板頂板厚16 mm；橫梁腹板厚20 mm，橫梁間距3.0 m，挑臂間距6.0 m；U肋厚8 mm，上口寬300 mm，下口寬200 mm，高280 mm，間距600 mm。采用大型通用有限元軟件ANSYS建立大挑臂鋼箱梁主梁節(jié)段模型，見圖2，縱向長12.0 m，包含3個挑臂，5個橫梁，頂板、U肋、橫梁和大挑臂等均采用SHELL181單元模擬。

圖1 挑臂橫截面及加載區(qū)域

圖2 主梁1/2節(jié)段模型

輪載來自JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[8]中的疲勞荷載模型Ⅲ，見圖3。疲勞荷載模型Ⅲ以Eurocode 3中的疲勞荷載模型3為基礎(chǔ)，修改車輪著地面積后得來。其中1個輪載大小為60 kN，考慮100 mm厚鋼筋混凝土層和50 mm厚鋪裝層的擴散效應(yīng)后作用于正交異性鋼橋面板的面積為0.9 m×0.5 m。

圖3 疲勞荷載模型Ⅲ

圖1根據(jù)橫梁的支撐點劃分橫向加載區(qū)域，加載區(qū)域共4個。挑臂支撐點外側(cè)為加載區(qū)域1橫梁外伸段，緊鄰挑臂支撐點為加載區(qū)域2挑臂端部，挑臂支撐點和根部支撐點中間為加載區(qū)域3橫梁中部，緊鄰根部支撐點為加載區(qū)域4橫梁根部。區(qū)域1～區(qū)域4分次單獨加載1個輪載，輪載的橫向中心線位于各區(qū)域2號肋中心。輪載沿縱向Z設(shè)置荷載步(圖4)，輪載的縱向中心線從橫梁1(Z=0)開始移動，至橫梁3(Z=6.0 m)結(jié)束，每步間距0.1 m，共61個荷載步。

正交異性鋼橋面板最為關(guān)鍵的疲勞細節(jié)為橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)、頂板與U肋細節(jié)[9-10]。本文的研究對象為區(qū)域1～區(qū)域4輪載局部范圍內(nèi)與1～3號U肋相關(guān)的疲勞細節(jié)。為分析上述疲勞細節(jié)應(yīng)力狀態(tài)，在區(qū)域1～區(qū)域4中的1～3肋處的布置如圖5所示的應(yīng)力考察點1～7，其中橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)考察點1、2、4、5位于橫梁2處(Z=3.0 m)的橫梁腹板，考察點3位于橫梁2處的U肋腹板，頂板與U肋細節(jié)考察點6、7分別位于U肋跨中處(Z=4.5 m)的U肋腹板和頂板。

圖4 縱向荷載步示意

圖5 應(yīng)力考察點示意

2 橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)

2.1 加載區(qū)域1～區(qū)域4第一主應(yīng)力最大的考察點

疲勞裂縫發(fā)展到宏觀擴展階段，裂縫擴展方向與主應(yīng)力等值線垂直[11]，因此本文主要分析各類疲勞細節(jié)應(yīng)力考察點的第一主應(yīng)力。表1列出4個加載區(qū)域中橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)第一主應(yīng)力最大的考察點及相應(yīng)主應(yīng)力數(shù)值，其中考察點編號1-3-4表示加載區(qū)域1中3號肋考察點4。圖6為表1中考察點第一主應(yīng)力的縱向歷程。

表1 橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)第一主應(yīng)力最大考察點

由圖6可知：

(1)加載區(qū)域1、區(qū)域3、區(qū)域4的最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在3肋橫梁腹板開孔處側(cè)邊考察點4，輪載越靠近橫梁腹板，第一主應(yīng)力越大，最大第一主應(yīng)力對應(yīng)的輪載縱向中心線位于橫梁腹板正上方。

(2)加載區(qū)域2的最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁腹板與1肋焊縫下方的U肋腹板處考察點3，與加載區(qū)域1、區(qū)域3、區(qū)域4不同的是第一主應(yīng)力的縱向歷程有兩個波峰，位于U肋跨中。

圖6 表1考察點第一主應(yīng)力縱向歷程

出現(xiàn)上述不同的原因是輪載作用下，區(qū)域1～區(qū)域4的橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)第二體系下的應(yīng)力狀態(tài)不同。

2.2 加載區(qū)域1和區(qū)域2時考察點的第一主應(yīng)力

圖7為輪載分別作用在區(qū)域1和區(qū)域2時，考察點1-3-4、1-1-3和考察點2-3-4、2-1-3的第一主應(yīng)力縱向歷程。對比不同區(qū)域的相同考察點可知：

圖7 考察點1(2)-3-4、1(2)-1-3第一主應(yīng)力縱向歷程

(1)區(qū)域2中1肋最靠近挑臂端部的中縱梁，輪載在區(qū)域2移動時，輪載的豎向力主要由中縱梁承受，中縱梁產(chǎn)生較大的豎向彎曲，導(dǎo)致1肋的彈性支撐連續(xù)梁效應(yīng)明顯，橫梁腹板產(chǎn)生較大的面外變形，U肋腹板有較大的彎曲正應(yīng)力。故輪載縱向中心線位于U肋跨中時，考察點2-1-3所在的U肋腹板彎曲正應(yīng)力最大，考察點2-1-3的第一主應(yīng)力最大。

(2)輪載在區(qū)域1移動時，橫梁腹板不僅會產(chǎn)生面外變形，還要承受U肋傳遞的豎向力，橫梁腹板還會產(chǎn)生較大的面內(nèi)剪切變形，橫梁腹板開孔處側(cè)邊有較大面內(nèi)剪應(yīng)力。故當輪載縱向中心線位于橫梁腹板正上方時，U肋傳遞的豎向力最大，考察點1-3-4的第一主應(yīng)力最大。而當輪載縱向中心線位于U肋跨中時，考察點1-1-3的第一主應(yīng)力最大。

(3)與考察點1-3-4相比，整個縱向歷程中考察點2-3-4第一主應(yīng)力均很小，說明區(qū)域2橫梁腹板的面內(nèi)剪切變形較區(qū)域1小。而區(qū)域1、區(qū)域2輪載加載方式相同，由于橫向區(qū)域不同，導(dǎo)致第二體系下橫梁腹板與U肋細節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)不同。區(qū)域1以橫梁腹板的面內(nèi)剪切效應(yīng)為主，同時伴有U肋的彈性連續(xù)梁效應(yīng)，區(qū)域2以U肋的彈性連續(xù)梁效應(yīng)為主，而橫梁腹板的面內(nèi)剪切效應(yīng)很小。

2.3 加載區(qū)域2～區(qū)域4時考察點的第一主應(yīng)力

圖8為輪載分別作用在區(qū)域2～區(qū)域4時，考察點4-3-4的第一主應(yīng)力縱向歷程。因輪載作用在區(qū)域1時，考察點4-3-4第一主應(yīng)力過小，故未在圖8示出。由圖8可知：當輪載分別作用于區(qū)域2～區(qū)域4時，考察點4-3-4的第一主應(yīng)力均有響應(yīng)，且輪載位于區(qū)域3的最大第一主應(yīng)力是位于區(qū)域4的48.95 %。這是因為受第二體系影響，橫梁根部支撐在主箱上，當輪載作用在橫梁中部和挑臂端部區(qū)域時，橫梁根部區(qū)域的橫梁均有橫向內(nèi)力產(chǎn)生，進而影響橫梁腹板開孔處的應(yīng)力狀態(tài)。加載區(qū)域2輪載的橫向中心線距離考察點4-3-4間隔6個U肋，可見對于大挑臂鋼箱梁正交異性鋼橋面板，橫梁根部區(qū)域中橫梁腹板開孔細節(jié)應(yīng)力狀態(tài)的橫向影響范圍可達6個U肋，輪載具有跨區(qū)域影響特點。

圖8 考察點4-3-4第一主應(yīng)力縱向歷程

3 頂板與U肋細節(jié)

以相同的思路研究大挑臂鋼箱梁正交異性鋼橋面板的頂板與U肋細節(jié)。表2列出4個加載區(qū)域中頂板與U肋細節(jié)第一主應(yīng)力最大的考察點及相應(yīng)主應(yīng)力大小，圖9為表2中考察點第一主應(yīng)力的縱向歷程。

表2 頂板與U肋細節(jié)第一主應(yīng)力最大考察點

圖9 表2考察點第一主應(yīng)力縱向歷程

由圖9可知：

(1)加載區(qū)域1～區(qū)域4的最大第一主應(yīng)力均出現(xiàn)在3肋腹板考察點，輪載縱向中心線越靠近考察點所在位置，第一主應(yīng)力越大，最大第一主應(yīng)力對應(yīng)的輪載縱向中心線位于考察點正上方。

(2)4個考察點的第一主應(yīng)力縱向歷程曲線基本重合。

不同橫向區(qū)域的頂板和U肋細節(jié)在輪載作用下，無論是最大第一主應(yīng)力大小還是對應(yīng)的縱向歷程曲線形狀均基本一致。這是由于頂板和U肋細節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)受第三體系影響較大，頂板和U肋腹板在輪載作用的局部出現(xiàn)明顯的橫向框架效應(yīng)，頂板和U肋腹板產(chǎn)生面外變形，4個區(qū)域頂板與U肋細節(jié)局部邊界相似，橫向框架效應(yīng)基本相同。

表3列出輪載分別于區(qū)域1～區(qū)域4縱向移動時，各區(qū)域頂板與U肋細節(jié)1～3肋所有考察點第一主應(yīng)力的最大值。除加載區(qū)域外，輪載對非加載區(qū)域考察點的第一主應(yīng)力基本無影響，輪載的局部效應(yīng)明顯。對于大挑臂鋼箱梁正交異性鋼橋面板的頂板與U肋細節(jié)，輪載不存在跨區(qū)域影響特點

表3 頂板與U肋細節(jié)所有考察點第一主應(yīng)力最大值

4 橫梁腹板開孔細節(jié)

因跨區(qū)域影響特點，大挑臂鋼箱梁正交異性鋼橋面板位于挑臂根部的橫梁腹板開孔細節(jié)應(yīng)重點關(guān)注。為探究主導(dǎo)跨區(qū)域影響的橫向內(nèi)力，按大挑臂鋼箱梁的車道分布，于車道1～3車道中心線加載輪組荷載。輪組荷載更符合真實加載情況，同時因輪載個數(shù)更多，能加大第一主應(yīng)力的數(shù)值，放大跨區(qū)域影響特點。如圖3，模型Ⅲ中包含4個輪組，中間輪組縱向間距6.0 m，超過的橫梁腹板開孔細節(jié)的縱向影響范圍，只需加載2組縱向間距1.2 m的輪組。各車道輪組荷載沿縱向Z設(shè)置荷載步，如圖10，前輪組縱向中心線從橫梁1(Z=0)開始移動，至后輪組縱向中心線位于橫梁3(Z=6.0 m)結(jié)束，每步間距0.1 m，共73個荷載步。

圖10 輪組荷載縱向荷載步示意

考察點4-1-4位于車道3輪組內(nèi)側(cè)輪載附近，作出車道1～3輪組荷載下，橫隔板開孔細節(jié)考察點4-1-4第一主應(yīng)力縱向歷程，如圖11所示。

圖11 輪組荷載下考察點4-1-4第一主應(yīng)力縱向歷程

(1)前、后輪組荷載合力的縱向中心線位于橫梁腹板附近時，考察點4-1-4第一主應(yīng)力達最大值。車道1～3輪組荷載中，車道3輪組荷載使考察點4-1-4所在橫梁腹板局部面內(nèi)剪切效應(yīng)明顯，曲線中相同縱向位置第一主應(yīng)力數(shù)值最大。車道2輪組荷載位于橫梁空腹段區(qū)域，使考察點4-1-4所在的橫梁根部區(qū)域產(chǎn)生較大的橫向彎曲內(nèi)力，曲線中相同縱向位置第一主應(yīng)力數(shù)值次之。而車道3輪組荷載位于橫梁挑臂支撐點附近，使橫梁根部區(qū)域產(chǎn)生一定的軸力，曲線中相同縱向位置第一主應(yīng)力數(shù)值最小。

(2)車道1輪組曲線始終位于車道2輪組曲線下方，說明主導(dǎo)跨區(qū)域影響的橫向內(nèi)力為彎曲內(nèi)力。

(3)車道2輪組荷載對考察點4-1-4的最大第一主應(yīng)力是車道3輪組荷載的47.68 %，該影響效應(yīng)不能忽略。我國現(xiàn)行規(guī)范中正交異性鋼橋面板抗疲勞驗算的多車道效應(yīng)系數(shù)取為1.0，對于大挑臂鋼箱梁的橫梁腹板開孔細節(jié)不適用，多車道效應(yīng)系數(shù)應(yīng)適當增大。

5 結(jié)論

本文分析了大挑臂鋼箱梁正交異性鋼橋面板不同區(qū)域輪載作用下橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)、頂板與U肋細節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)，得出以下結(jié)論：

(1)受第二體系影響，輪載作用下，區(qū)域1～區(qū)域4的橫梁腹板與U肋交叉細節(jié)，應(yīng)力狀態(tài)不同?？拷锌v梁的挑臂端部，U肋的彈性連續(xù)梁效應(yīng)明顯，橫梁腹板面外變形較大，橫梁腹板與U肋焊縫下方的U肋腹板處第一主應(yīng)力最大，而橫梁外伸段、橫梁中部和橫梁根部的橫梁腹板還會產(chǎn)生較大的面內(nèi)剪切變形，橫梁腹板開孔處側(cè)邊第一主應(yīng)力最大。

(2)受第三體系影響，輪載作用下，頂板和U肋的橫向框架效應(yīng)明顯，區(qū)域1～區(qū)域4中U肋跨中的頂板與U肋細節(jié)應(yīng)力狀態(tài)基本相同。橫梁外伸段、挑臂端部、橫梁中部和橫梁根部的U肋腹板處第一主應(yīng)力最大，且4個區(qū)域出現(xiàn)最大第一主應(yīng)力考察點的第一主應(yīng)力縱向歷程基本相同。

(3)與實腹式橫隔體系的傳統(tǒng)鋼箱梁正交異性鋼橋面板相比，對于大挑臂鋼箱梁正交異性鋼橋面板橫梁腹板開孔細節(jié)，輪載的橫向影響范圍可達6個縱肋，輪載存在由橫向彎曲內(nèi)力主導(dǎo)的跨區(qū)域影響特點，且影響效應(yīng)不能忽略。而對于U肋跨中的頂板和U肋細節(jié)，不存在跨區(qū)域影響的特點，輪載局部效應(yīng)明顯。