纵梁(肋)高度对正交异性板钢桥面系受力影响分析

方桂芬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)



纵梁(肋)高度对正交异性板钢桥面系受力影响分析

方桂芬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

正交异性板各个构件的选用关系着钢桥面系的安全性及经济性，通过有限元分析软件，建立桥面系板单元模型，对正交异性板多横梁体系纵梁、纵肋高度变化时桥面系各部分受力分析，总结纵梁(肋)高度变化对桥面板、横梁以及横梁与纵梁(肋)相交处挖孔部位受力的影响趋势，得出结论：增加纵梁高度，纵梁自身正应力逐渐增大，U肋正应力逐渐减小；横梁U肋挖孔处主拉应力增大，横肋相应处主拉应力减小，但减小或增大的幅度较小。改变T形纵梁高度，对横梁整体受力及桥面板影响甚小，可忽略不计，T形纵梁的合理取值范围为横梁高度的0.35～0.4倍；U肋高度过大或者过小，桥面板应力的均匀性均不好，且主拉应力均较大。增大U肋高度，纵梁正应力逐渐减小，U肋自身应力并未成线性变化趋势，而是呈“锯齿”形变化趋势。改变U肋高度对桥面板应力影响均较小，可忽略不计，U肋的合理高度取值范围为240～280 mm。

铁路钢桥；纵梁高度；纵肋高度；桥面系；正应力；主拉应力；横梁；横肋；挖孔方式

1 概述

随着我国经济的高速发展，铁路正朝着高速、重载的方向发展。高速铁路及客运专线对桥梁结构性能提出了更高的要求，高速铁路桥面结构必须具有很好的整体刚度，足够的耐久性和良好的轨道平顺性。而正交异性板桥面形式具有自重轻、承载力大、行车舒适性好等特点，较易于满足高速铁路的行车要求，从而得到广泛应用[1-4]。以西成客专132 m简支钢桁梁为工程依托，对正交异性板纵梁(肋)高度对桥面系受力影响进行定性分析。

西成客专跨西宝客专特大桥132 m简支钢桁梁为跨越西宝客专及福银高速公路而设，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1所示。桥面系采用多横梁正交异性板结构形式，纵向采用U肋及轨道下方设置“倒T形”小纵梁方式。横向布置如图2所示。

图1 主桥立面布置(单位：mm)

图2 横断面布置(单位：mm)

2 纵梁高度对桥面系受力的影响

本次设计共比较分析了4种纵梁高度，分别为450、500、550、600 mm。总结在不同纵梁高度情况下，桥面系各部分应力情况。从图3可以看出，随着纵梁高度的增大，U肋正应力逐渐降低，纵梁正应力逐渐增加。从图4可以看出，纵梁高度的变化对横梁、横肋底板下翼缘应力影响很小，纵梁高度从450 mm增加到600 mm时，横梁底板正应力变化1.2%；横肋底板正应力变化2.5%，可见通过调整纵梁高度来改变横梁整体受力，效果不明显[5-7]。

图3 纵梁高度对自身

图4 纵梁高度对横梁

纵梁高度增加，横梁与U肋相交开孔处(以下简称横梁开孔处)主拉应力逐渐增大，但横肋挖孔处主拉应力逐渐减小，纵梁高度增加150 mm，横梁挖孔处主拉应力增加4.1%，横肋挖孔处主拉应力减小3.7%，纵梁高度变化，对横梁与主桁连接处应力及桥面板应力几乎没有影响，如图5、图6所示。

图5 纵梁高度对横梁

图6 纵梁高度对桥面

在桥面系其余部位构造相同的情况下，通过在桥面板施加相同布置的恒载及活载，改变纵梁高度，计算桥面系位移。分析结果显示，纵梁高度对桥面系位移的影响很小，如图7所示，随着纵梁高度的增加，桥面跨中位移逐渐减小，但减小幅度有限，纵梁高度从450 mm增加至600 mm时，桥面最大位移由37.8 mm减小至37.5 mm，位移仅减少0.3 mm，减少幅度不足1%，可忽略不计。可见，通过调整增加纵梁高度来调整桥面刚度，效果有限。

图7 纵梁高度对桥面位移的影响

3 U肋高度对桥面系受力的影响

3.1 U肋高度的合理范围

U肋高度分别为220、240、260、280、300 mm时，桥面系受力情况如表1所示。从表列结果可以看出，改变U肋高度，对横梁(肋)下翼缘应力、桥面位移影响很小，可忽略不计。U肋高度过小(220 mm)或过高(300 mm)，横梁(肋)挖孔处应力均较大，波动幅度达28.3%～29.6%，合理的U肋高度范围为240～280 mm[8-11]。

表1 桥面系应力及位移

图8、图9为纵梁及U肋、桥面板应力随U肋高度变化趋势图，从图8可以看出，随着U肋高度变化，U肋自身应力呈锯齿形变化，应力波动性较大。纵梁正应力随着U肋高度的逐渐加大而逐渐减小，但是减小幅度很小，U肋高度从220 mm变化到300 mm时，纵梁应力减小约8%。从图9可以看出，桥面板顺桥向应力亦呈不规则变化，先逐渐增大，U肋高260 mm时，桥面板应力达到最大，之后逐渐减小，波动幅度为8%。

图8 U肋高度对自身及纵梁正应力的影响

图9 U肋高度对桥面板正应力影响

3.2 U肋高度对桥面板应力均匀性的影响

改变U肋高度，桥面板纵向正应力沿横桥向分布如图10所示，从图10可以看出，随着U肋高度变化，桥面板波动特性基本一致，U肋高220 mm时，桥面应力波动性最大，U肋高280、300 mm时波动性较大，U肋高240、260 mm时，波动性最小。可见，U肋高度过高或者过低，桥面板应力的波动性较大，受力特性较差[12-13]。

图10 桥面板纵向应力横向分布

4 结论

综上所述，当桥面采用正交异性板时，增加纵梁高度，纵梁自身正应力逐渐增大，U肋正应力逐渐减小；同时，横梁U肋挖孔处主拉应力增大，横肋相应处主拉应力减小，但减小或增大的幅度较小。改变T形纵梁高度，对横梁整体受力及桥面板系刚度影响甚小，可忽略不计，纵梁合理高度应为横梁高度的0.35～0.4倍。设计过程中，从桥面系受力均匀性及用钢量等方面综合考虑，本桥纵梁高度取500 mm。

U肋高度过大或者过小，桥面板应力的均匀性均不好，且主拉应力均较大。增大U肋高度，纵梁正应力逐渐减小，U肋自身应力并未成线性变化趋势，而是呈“锯齿”形变化趋势。改变U肋高度对桥面板应力影响均较小，可忽略不计。U肋适宜高度为240～260 mm，本桥选用260 mm。

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Influence of longitudinal Beam (rib) Height on the Stress of the Orthotropic Plate of Steel Bridge

FANG Gui-fen

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

The selection of components is critical to the safety and economy of bridge floor system. The plate element model of the deck is established with finite element analysis software to analyze every part of the orthotropic plate when the height of longitudinal beam or rib is changed， the influences of the change of the height of longitudinal beam or rib on the plate， cross beam， intersect excavated area of longitudinal beam(rib)and the cross beam are summed up. The results show that increasing the height of the longitudinal beam increases gradually the normal stress of longitudinal beam itself， and decreases gradually the normal stress of U rib; the principal tensile stress of the rib beam increases near the hole where the U rib cross， the principal tensile stress of corresponding local of Cross rib decreases， but the extent of decrease or increase is smaller; changing T girder height has little impact on the global stress of the cross beam， and can be ignored; the reasonable height of longitudinal beam is 0.35～0.4 time of the cross beam; too big or too small of the height of U ribs leads to undesirable stress uniformity of the bridge deck， resulting in bigger principal tensile stress; increasing the height of the U rib results in gradual decrease of the normal stress of the longitudinal beam， and the stress of U rib itself is not in a linear trend， but in a “zigzag” changing trend; changing U rib height has little impact on the global stress of the bridge deck slab and the reasonable height range of U rib is 240～280 mm．

Railway steel bridge; Height of longitudinal beam; Height of longitudinal rib; Floor system; Normal stress; Principal tensile stress; Cross beam; Cross rib; The way of cut-out

2016-05-26；

2016-06-07

方桂芬(1979—)，女，高级工程师，2005年毕业于北京交通大学，工学硕士。

1004-2954(2016)12-0071-03

U443.32

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.016