公轨两用斜拉桥钢桥面板疲劳应力幅的影响因素分析

董世承

(西南交通大学，四川成都 610031)

公轨两用斜拉桥在近年来发展迅速，逐渐成为城市跨江、跨海斜拉桥的主要桥型之一。由于公轨两用斜拉桥通常会承受较大的轨道活载，动力响应非常强烈[1]，所以主梁截面通常采用钢桁梁的型式以保证桥梁的横向和竖向刚度[2-3]。当斜拉桥的跨度较大时，采用正交异性钢桥面板可以大幅减小桥面板的重量，而且钢桥面板可以参与到上下弦杆的共同受力中，形成板-桁组合结构[4-5]。钢桥面板疲劳问题的研究是该类桥梁计算分析的一大关键问题，对此类问题进行对比分析十分有必要。

1 工程背景及有限元模型

1.1 工程概况

某公轨两用钢桁梁斜拉桥，主桥布置为(77.5+166.1+468+166.1+77.5) m，结构采用半漂浮体系，桥梁立面图见图1。钢桁梁采用带副桁的桁架结构，主桁架中心间距16 m，副桁架上弦杆顶板底面中心线间距37.2 m。全桥桁架为三角形桁架，桁高11.0 m，节间长15.1 m，全桥共63个节间。公路桥面系在中跨、次边跨采用正交异形钢桥面结构，长781.2 m，在边跨采用钢混结合板结构，长170 m。正交异形钢桥面面板厚16 mm，其下部设置间距600 mm的U型纵肋，主桁钢桥面板横断面见图2。

图1 桥型立面布置(单位：cm)

图2 主桁钢桥面板横断面(单位：cm)

1.2 有限元模型建立

节段模型取沿顺桥向30.2 m范围内12个横梁间距范围作为分析模型。对于重点关注疲劳细节的(2.509 m×5.033 m)区域建立了精细化的网格划分方式的子模型。计算模型考虑了5 cm厚的STC铺装参与共同受力，STC铺装层采用实体单元进行模拟；子模型为节段模型切割而产生，为了尽量减少边界对计算的影响，关注的子模型选在节段模型居中位置。节段模型采用结构化的四边形网格，网格大小为0.2，对重点关注疲劳的部分采用0.02大小的精细化网格，整个节段模型共计143 080个板单元，子模型共计148 095个板单元，具体如图3、图4所示。

图3 有限元节段模型

图4 有限元节段模型子模型

1.3 移动荷载模拟及疲劳细节选取

该桥钢桥面板构造疲劳研究参照JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》确定采用标准疲劳车辆载模型III，该车辆荷载模型每个轮重为 60 kN，车辆总重 480 kN，其车轮布置示意图如图5所示。疲劳细节1为横隔板与主弦杆外侧焊缝连接处下端，疲劳细节2为横隔板与主弦杆外侧焊缝连接处上端，疲劳细节3为横隔板与桥面板焊缝连接处外侧，疲劳细节4为横隔板与主弦杆内侧焊缝连接处下端，疲劳细节5为横隔板与主弦杆内侧焊缝连接处上端，疲劳细节6为横隔板与桥面板焊缝连接处内侧，疲劳细节7为横隔板与U肋焊缝连接处下端，疲劳细节8为横隔板与U肋焊缝连接处上端，8个疲劳细节示意图如图6所示。

图5 标准疲劳车辆轮轴示意图(单位：m)

图6 疲劳细节示意

2 钢桥面疲劳应力幅影响因素分析

2.1 STC铺装的影响

仅列出疲劳细节1的轮载纵向加载历程中主应力和剪应力图，其余细节变化规律基本一致。从图7～图10可以看出：无论是否考虑STC参与桥面共同受力，其主拉应力和剪应力的纵向加载历程图形状不会发生改变，变化的仅为每次加载的数值大小，且历程图均为双峰，为方便比较，将两次应力幅值等效为单次常幅应力幅，对比见图11、图12，具体数值见表1。从对比结果可以看出：当考虑STC参与桥面板共同受力时，各个疲劳细节应力幅值呈现减小趋势，主拉应力幅最大降幅约10.5 %，发生在疲劳细节6；剪应力幅降幅最大约13 %，发生在疲劳细节3。

图7 细节1主拉应力加载历程(考虑STC)

图8 细节1剪应力加载历程(考虑STC)

图9 细节1主拉应力加载历程(不考虑STC)

图10 细节1剪应力加载历程(不考虑STC)

图11 STC对常幅主拉应力幅的影响

2.2 横隔板厚度的影响

将上弦杆腹板两侧的腹板厚度加大，一般位置横隔板厚度由16 mm增大到24 mm，节点位置横隔板厚度由20 mm增大到24 mm，拉索位置横隔板板厚维持原来厚度，计算结果对比如图13～图16所示，具体数值见表2、表3。

由表2和表3可知，随着横隔板厚度增大，各个构造细节应力幅值呈现减小趋势。一般横隔板厚度由16 mm增大到24 mm，疲劳细节1主拉应力幅值降幅最大，降幅达到18 %，疲劳细节7主拉应力幅降幅最小，约为7.2 %，其余构造细节降幅均在10 %以上；剪应力幅降幅最大点为疲劳细节8，但也仅为6.5 %，表明一般位置横隔板厚度的增大对剪应力幅的改善不明显。节点横隔板厚度由20 mm增大到24 mm，疲劳细节4的主拉应力幅值降幅最大，约10 %，疲劳细节3的主拉应力幅值降幅最小，约为5.5 %，其余构造细节降幅在7 %左右；剪应力幅值在疲劳细节5处降幅最大，为3.6 %，节点横隔板厚度的变化对剪应力幅值的减幅影响不明显。

表1 STC对构造细节应力幅值影响

图12 STC对常幅剪应力幅的影响

图13 一般位置隔板厚度变化对主拉应力的影响

图14 一般位置隔板厚度变化对剪应力的影响

图15 节点位置隔板厚度变化对主拉应力的影响

图16 节点位置隔板厚度变化对剪应力的影响

表2 一般位置横隔板厚度参数变化对应力幅影响大小

3 结论

本文以某公轨两用斜拉桥为研究对象，分析了是否考虑5 cm的STC铺装参与钢桥面板共同受力以及一般位置横隔板厚度变化、节点位置横隔板厚度变化对钢桥面板8个疲劳细节主拉应力幅和剪应力幅的影响，得到了以下结论：

表3 节点位置横隔板厚度参数变化对应力幅影响大小

(1)对当考虑STC参与桥面板共同受力时，各个疲劳细节应力幅呈现减小趋势，主拉应力幅最大降幅11 %，剪应力幅最大降幅13 %，STC对钢桥面板应力幅的改善效果较为明显。

(2)一般横隔板厚度增大后，主拉应力幅值降幅最大可达到18 %，剪应力幅降幅最大可达到6.5 %。节点横隔板厚度增大后，主拉应力幅值降幅最大值为10 %，剪应力幅值降幅最大值为3.6 %。增大横隔板厚度会使主拉应力幅值有较明显的改善，但是对剪应力幅值的减幅影响不明显。

(3)8个疲劳细节中，疲劳细节1的主拉应力幅值最大，设计计算中需要特别关注该疲劳细节。