车辆荷载作用下正交异性钢桥面板疲劳受力特性分析

现代交通技术

Modern Transportation TechnologyＶｏｌ．　１５　　　　Ｎｏ．１Ｆｅｂ．　　２０１８

车辆荷载作用下正交异性钢桥面板疲劳受力特性分析

徐汉江

（苏州市航道管理处，江苏 苏州 215000）

摘　要：以南京长江三桥为工程背景，建立了正交异性钢桥面板的混合单位模型和简化计算模型，采用两种模型对车辆荷载作用下钢桥面板的受力特性进行了分析。结果表明：正交异性钢桥面板第一受力体系对顶板横向受力、横隔板受力影响不显著。两种模型计算得到的顶板细节、横隔板细节应力幅偏差均小于5.0%，采用简化计算模型进行钢桥面板疲劳应力幅分析合理有效。顶板细节的应力影响范围约1 m，每次车轮荷载作用引起一次应力循环。横隔板细节的应力影响范围约4 m，轴距小于4 m的车辆产生的应力将出现叠加效应。关键词：正交异性钢桥面板；车轮荷载；疲劳应力幅；应力影响范围

中图分类号：U443.31　　文献标识码：A　　文章编号：1672–9889（2018）01–0043–03

Analysis on Fatigue Behavior of Orthotropic Steel Deck under Wheel Load

XU Hanjiang

（Suzhou Waterway Administration Office, Suzhou 215000, China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　The mixed element model and simplified analysis model were established base on the Nanjing Third Yangzi River Bridge. The mechanical behavior of orthotropic steel deck was analyzed under Wheel Load by two models. The results showed that the first force system of orthotropic steel deck has no significant effect on roof lateral stress and diaphragm stress. The difference of stress amplitude for roof detail and diaphragm detail between two models is less than 5.0%. The simplified model is simple and reasonable. The stress influence range of roof detail was about 1m, each wheel load lead to one stress cycle. The stress influence range of roof detail was about 4m, superposition effect is generated by the stress of the vehicle which wheelbase less than 4m.Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ: orthotropic steel deck; wheel Load; fatigue stress amplitude; stress influence range

1　概述

钢箱梁以其结构自重小、受力性能好、施工速度快等优点在大型缆索支承桥梁上得到广泛应用。正交异性钢桥面板是钢箱梁结构中的重要组成部分，由顶板、纵肋与横肋三部分组成，主要采用焊接方式

［1-2］

连接，结构复杂，残余应力、应力集中等问题突出。

正交异性钢桥面板在车辆荷载的长期作用下，顶板、横隔板与U肋焊接等部位容易出现疲劳损伤，导致钢箱梁结构性能退化，影响桥梁结构在运营期间的

［3-4］安全性、耐久性。因此，确定合理的计算模型准确

［5］

进行了研究，周绪红等以青岛海湾大桥红岛航道桥为例对正交异性钢桥面板在3种基本受力体系下

［6］

等在钢桥面板静力的力学特性进行了分析。徐军

试验的基础上提出了简化受力计算模型，并将计算结果与试验结果进行了比较。本文以南京长江三桥为工程背景，建立钢箱梁整体混合单元模型和正交异性钢桥面板简化计算模型，研究在车轮荷载作用下易出现疲劳裂纹位置的受力特性，对两种模型下的计算结果进行对比分析，提出适合于正交异性钢桥面板疲劳受力分析的计算模型。

分析正交异性钢桥面板在运营期间的疲劳受力情况十分必要。

国内学者对正交异性钢桥面板的受力计算模型

2　车轮荷载确定

［7］

，车轮荷载的轮参考公路桥涵通用设计规范

胎作用面积，单轮沿横桥向、顺桥向作用长度分别取

作者简介：徐汉江（1986-），男，江苏苏州人，硕士研究生，主要从事桥梁建设管理与维护工作。

· 44 ·

现代交通技术２０１８　年

0.3 m与0.2 m，作用方式如图1所示。车轮荷载值根据南京长江三桥车流数据分析得到的疲劳车辆荷载

模型确定［8］，疲劳车辆荷载模型如图2所示，取后轮

轴载140 kN，即车轮荷载70 kN。

45 kN 75 kN140 kN 0顺桥方向02300

3.0 m5.0 m 图1　车轮荷载作用方式　　　　　　图2　疲劳车辆荷载模型

3　两种计算模型建立

3.1　

钢箱梁整体混合单元模型

正交异性钢桥面板的3种基本受力体系：作为主梁截面的一部分承受车辆运营荷载（第一受力体系），钢桥面板与纵、横加劲肋组成桥面结构（第二受力体系），支承在纵横向加劲肋上的钢桥面板直接车轮荷载（第三受力体系）。为了全面考虑3种基本受力体系中的影响，采用ANSYS建立钢箱梁整体混合单元模型。选取跨中节段钢箱梁进行分析，钢箱梁采用壳单元shell63模拟，其余位置的钢箱梁、主塔采用

梁单元beam4模拟，拉索采用杆单元link10模拟［9］

。

假设主梁变形符合平截面假定，跨中节段钢箱梁与相邻钢箱梁间建立刚域。全桥模型的边界条件为：主塔、过渡墩及辅助墩底部6个自由度全部约束，主梁与主塔根据设计资料中约束关系采用主从耦合。跨中节段钢箱梁模型网格尺寸为0.2 m，车轮加载位置进行局部细化，

网格尺寸0.01 m×0.01 m。钢材的弹性模量取为2.0×105 MPa，泊松比取为0.3。图3为钢箱梁整体混合模型，图4为钢箱梁节段局部放大模型。

钢箱梁节段

图3　钢箱梁整体混合单元模型

刚域连接

图4　钢箱梁节段局部放大模型

3.2　正交异性钢桥面板简化计算模型

正交异性钢桥面板横向取7根U肋，纵向取6个

横隔板间距建立简化模型，如图5所示。钢桥面板采用壳单元shell63模拟。边界条件为约束横隔板的3个平动自由度与3个转动自由度，约束模型四周的3个平动自由度。简化模型的网格尺寸为0.2 m，车轮

加载位置局部加密网格，网格尺寸为0.01 m×0.01 m。简化计算模型可以模拟钢桥面板在第二、三受力体系的受力情况。

约束平动自由度

自由度全部约束

图5　正交异性钢桥面板简化模型

4　两种模型计算结果分析

正交异性钢桥面板顶板、横隔板与U肋焊接部位容易出现疲劳裂纹。根据国际焊接学会推荐，并参

考国内外学者对钢桥面板疲劳损伤的调研分析［3，10］

，

本文取距离焊缝1.5 t（顶板厚度）的横向应力作为顶板与U肋焊接部位（以下称顶板细节）疲劳应力的参考指标，取横隔板与U肋连接位置、横隔板削弱最大位置的主应力作为横隔板细节疲劳应力参考指标，如图6所示。

横向应力

顶板细节

（a）

主应力

横隔板细节1

横隔板细节2

（b）

图6　疲劳应力位置

图7为顶板细节在两种计算模型下分析得到的

应力影响线。横隔板处、横隔板间顶板细节的应力影响线形状一致，横向应力值峰值明显。与简化计算模型相比，混合单元模型分析得到的顶板细节横向应力值偏差在10.0%以内，第一受力体系对顶板横向受力影响不显著。在横隔板位置，两种模型对应的横向应力幅分别为96.40 MPa与92.67 MPa，偏差3.9%。在横隔板间，两种模型对应的横向应力幅分别为40.53 MPa与39.43 MPa，偏差2.7%。

第１期

徐汉江：车轮荷载作用下正交异性钢桥面板疲劳受力特性分析

· 45 ·

0 aPM /力-40应 -80混合单元模型 简化计算模型-120-6-4-20246车轮位置/m（ a）横隔板位置

0aPM-15/力应-30 混合单元模型 简化计算模型-45-6-4-20246车轮位置/m（b）横隔板间

图7　顶板细节应力影响线

45 混合单元模型 简化计算模型aP30M/力应150-6-4-20246车轮位置/m

（ a）

横隔板细节10aP-30M/力应-60 混合单元模型 -90简化计算模型-6-4-20246车轮位置/m（ b）横隔板细节2

图8　横隔板细节应力影响线

图8为横隔板细节1、2在两种模型下分析得到的应力影响线。混合单元模型与简化计算模型分析得到的应力影响线基本相同，第一受力体系对横隔板受力基本没有影响。横隔板细节1对应的主应力幅分别为38.78 MPa与37.89 MPa，偏差2.3%。横隔板细节2对应的主应力幅分别为79.28 MPa与82.17 MPa，偏差3.6%。

由图7、8可知，两种模型分析得到的顶板细节、横隔板细节应力幅偏差均小于5.0%，可以认为采用简化计算模型进行钢桥面板疲劳应力幅的分析是合理有效的。顶板细节的应力影响范围约为1 m，每次

车轮荷载作用引起一次应力循环。横隔板细节的应力影响范围约为4 m，轴距小于4 m的车辆，前后轮产生的应力将出现叠加效应。5　结语

（1）通过建立钢箱梁混合单元模型，全面考虑了3种受力体系对正交异性钢桥面板受力的影响，并与简化计算模型的计算结果进行了比较。第一受力体系对顶板横向受力、横隔板受力影响不显著。两种模型计算得到的顶板细节、横隔板细节应力幅偏差均

小于5.0%，可以认为采用简化计算模型进行钢桥面板疲劳应力幅的分析是合理有效的。

（2）车轮荷载作用下，顶板细节、横隔板细节应力影响线峰值明显，顶板细节的应力影响范围约为1m，每次车轮荷载作用引起一次应力循环。横隔板细节的应力影响范围约为4 m，轴距小于4 m的车辆，前后轮产生的应力将出现叠加效应。

参考文献

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钢结构，2009，9（24）：9-13．

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劳性能及损伤演化研究［J］.公路交通科技，2009，26（9）：64-69．

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Engineering，1990，116（1）：75-84.

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学报（自然科学版），1999（2）：170-174．7］J TG D60—2004公路桥涵通用设计规范［S］.

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for Fatigue Design of Welded Joints and Components［S］.Paris，2008.

（收稿日期：2017-06-02）

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