高速铁路跨度132 m钢桁梁正交异性板桥面系横肋开孔处应力分析

方桂芬

(铁道第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)



高速铁路跨度132 m钢桁梁正交异性板桥面系横肋开孔处应力分析

方桂芬

(铁道第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

为了保证正交异性板的整体性，纵梁、纵肋通常连续通过横梁、横肋，横梁(肋)在相交处需相应开孔。横梁(肋)开孔处由于承受面内及面外的应力，使得该部分的应力非常复杂，是桥面系的薄弱环节，合理的构造处理及开孔形式能够改善该部分的应力集中，优化桥面设计，延长桥面系使用寿命。通过对桥面系板单元有限元分析，总结出该部分受力特点及影响因素，并对开孔方式的影响进行了定性分析。

铁路桥；钢桁梁桥；桥面系；纵梁；纵肋；横梁；横肋；应力；开孔方式

1 概述

图1 某桥桥面系裂缝病害

正交异性板钢桥面系，横梁(肋)与纵梁(肋)相交处，由于同时承受了横梁(肋)面内及纵梁(肋)传递来的面外应力，使得该部分受力复杂，成为桥面系薄弱环节，容易产生疲劳裂缝[1-2](图1)。中外学者对开孔的方式均进行过相应的研究，实际工程中应综合考虑现场施工焊接工艺及工程造价等各方面因素，选择合理的开孔方式。各国规范对该部分的构造设置也进行了规定，其中欧洲规范对公路、铁路钢桥作出明确规定，当纵肋采用U形加劲肋时，铁路钢桥面系采用“苹果形”开孔方式，公路钢桥面系采用“平底形”开孔方式，但欧洲规范对T形加劲肋没有作出相关规定，见图2。日本《钢桥设计指南》对U肋开孔处规定为“平底”形，但开孔大小与欧洲规范有所不同。日本规范也无T形加劲肋的相关规定，但是对板形加劲肋作出规定。见图3。

图2 欧洲规范对横肋开口处规定

我国规范对正交异性板钢梁构造要求还暂无规定。在已建成的铁路桥中，U肋加劲肋“苹果”形及“平底”形开孔方式均有采用。南京大胜关长江大桥、安庆长江铁路大桥采用“苹果”形开孔，新广州站跨环城高速特大桥东平水道主桥采用“平底”形开孔方式[3-6]。T形加劲肋采用较多的有两种开孔方式：对称型开孔及非对称型开孔，如图4所示。对称型开孔，T肋腹板与横梁(肋)焊接相连，翼缘板底面与横梁(肋)焊接相连，翼缘板其他部分不与横梁相连；非对称型开孔，T肋腹板一侧与横梁(肋)焊接相连，一侧开孔，翼缘板与横梁(肋)底板不相连。

2 开孔处应力特点

现以西成客运专线132 m简支钢桁梁为工程依托，对正交异性钢桥面板横梁、横肋开孔处应力进行分析研究，分析该部位应力特点，并对影响因素进行总结。

西成客运专线跨西宝客运专线特大桥132 m简支钢桁梁为跨越西宝客运专线及福银高速而设，钢桁梁全长134 m，桁高20 m，主桁中心距13.9 m，节间长度11 m，主桁结构形式如图5所示。桥面系采用多横梁正交异性板结构形式，纵梁采用U肋及在轨道下方设置“倒T形”小纵梁。横向布置如图6所示。

图5 主桥立面布置(单位：mm)

图6 横断面布置(单位：mm)

U肋与主桁连接处，由于桥面在桥梁横向的竖向弯曲，导致U 肋的扭转，从而导致U肋外侧(靠近主桁侧)横梁腹板受拉，内侧(靠近跨中侧)受压[7-11]。横梁外侧U肋开孔处腹板主拉应力最大；内侧U肋的扭转变形较小，主拉应力及主压应力均较小，U肋两侧的受力也较均匀，且越靠近跨中，应力均匀性越好[12]。如图7、图8所示。

图7 跨中处U肋处横梁主拉应力(单位：MPa)

图8 靠近主桁侧U肋处横梁主拉应力(单位：MPa)

3 影响开孔处应力的因素

现对横肋腹板、横肋根数、U肋板厚及开孔方式对相交处应力的影响进行分析。

3.1 横肋腹板厚度对U肋开孔处应力的影响

增加横肋腹板厚度，能有效降低开孔处主拉应力，如图9所示。

图9 横肋腹板厚度对开孔处主拉应力影响

3.2 横肋根数对横肋腹板开孔处应力的影响

横肋根数由1根变到4根时，横梁U肋开孔处及横梁与主桁连接处主拉应力如图10所示。从图中可以看出，随着横肋根数的增加，横梁U肋开孔处主拉应力明显减小，但对于横梁与主桁连接处，影响甚小。

3.3 U肋板厚对横肋腹板开孔处应力的影响

增加U肋板厚，能有效降低U肋与横梁(横肋)处主拉应力，但是横梁与主桁连接处主拉应力却有所增加，从数值来看，应力增加幅度较小，U肋板厚增加8 mm时，应力增加不到1%，可忽略不计。横梁开孔处以及横肋与主桁连接处应力如图11、图12所示。

图10 横肋根数对主拉应力影响

图11 U肋板厚对横梁开孔处主拉应力影响

图12 U肋板厚对横梁与主桁连接处处主拉应力影响

3.4 开孔方式对开孔处应力影响

为了分析不同的纵肋及U肋开孔方式对横梁主拉应力的影响，现建立4个节间(节间长11 m)空间板单元模型。沿横桥向，左侧U肋设“苹果”形开孔方式，“T”肋设置为双侧对称型开孔；右侧U肋设“平底”形开孔方式，“T”肋设置成双侧非对称型开孔。如图13、图14所示。

图13 开孔方式布置

图14 开孔方式详图(单位：mm)

3.4.1 U肋开孔处

U肋，计算结果显示，“平底”形开孔主拉应力出现在靠近主桁的拐角处，最大主拉应力为357.2 MPa，“苹果”形开孔方式主拉应力也出现在靠近主桁的拐角处，但极值并未出现在开孔边缘，而是与开孔边缘相邻的单元，最大主拉应力为286.6 MPa。在U肋与横肋连接的上缘处，“平底”形开孔方式主拉应力为77.5 MPa，“苹果”形开孔方式主拉应力为68.4 MPa。如图15、图16所示。

图15 “苹果”形开孔处横梁主拉应力(单位：MPa)

图16 “平底”形开孔处横梁主拉应力(单位：MPa)

3.4.2 “T”肋开孔处

对于对称型“T”肋开孔方式，“T”肋与横肋相交处，横肋沿“T”肋两侧应力较为均匀，最大主应力出现在“T”肋下翼缘板，靠近跨中侧，最大主拉应力为99 MPa，“T”肋上缘与横梁相交处，最大主应力为105 MPa；非对称开孔方式，沿“T”肋腹板中心，两侧横肋应力均匀性较差，靠近跨中侧，主拉应力偏大，腹板开孔侧主拉应力偏小，主拉应力最值出现在“T”肋下翼缘，靠近主桁侧，284 MPa；上缘主拉应力出现在过焊孔下缘，188 MPa。如图17、图18所示。

图17 T肋对称开孔方式应力(单位：MPa)

从“T”肋开孔处横梁应力特点可以看出，“T”肋腹板与横梁两侧均焊接，有利于阻止“T”肋的扭转变形，从而减小横肋相应处的主拉应力。

图18 T肋不对称开孔方式应力(单位：MPa)

4 结论

综上所述，开孔处内侧受压，外侧受拉，靠近跨中侧受力趋于均匀，靠近主桁侧应力突变较为明显。改变横肋腹板厚度、横肋根数及U肋板厚，对开孔处主拉应力影响较大；对于T肋，对称型开孔方式，横梁开孔处应力较为均匀，主拉应力较小；对于铁路桥梁正交异性板U肋，采用“苹果”形开孔方式，能有效降低开孔处主拉应力。在正交异性钢桥面板设计过程中，应合理选择开孔方式，规避应力集中，优化桥面设计，延长桥面系使用寿命。基于上述分析，西成客运专线132 m简支钢桁梁，在横梁(横肋)与纵向U肋相交处采用“苹果”形开孔方式，与T肋相交处采用对称型开孔方式。

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Stress Analysis of Cross Rib near the Hole of Orthotropic Steel Deck System with 132 m Span Steel Truss Beam on High Speed Railway

FANG Gui-fen

(Bridge & Tunnel Design Department，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

In order to ensure the integrity of the orthotropic steel deck system， longitudinal beam and longitudinal rib usually cross transverse beams and ribs continuously， and transverse beams or ribs need to cut holes at the cross point. Stress near the transverse beams or ribs is very complex due to the stress in and out of the plane， where the weak link exists in the deck system. The reasonable structure treatment and hole shape can improve the stress concentration of this area so as to optimize the design of the bridge deck and prolong the service life of the bridge deck system. The finite element analysis shows the characteristics and influencing factors of the joint place and quantifies the influence of the hole shape．

Railway bridge; Steel truss bridge; Deck system; Longitudinal beam; Longitudinal rib; Transverse beam; Transverse rib; Stress; Hope shape

2016-04-11；

2016-04-25

方桂芬(1979—)，女，高级工程师，硕士研究生，E-mail：94786987@qq.com。

1004-2954(2016)11-0062-04

U238； U443.35

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.015