基于桥面板疲劳计算的多箱室钢桥横隔板设置

2021-09-18何文杰崔立川

城市道桥与防洪 2021年8期

何文杰，崔立川

（中交公路规划设计院有限公司，北京市 100088）

0 引言

桥梁设计时，应遵从实用、经济、安全、美观等原则。钢结构桥梁具有自重轻、跨越能力大和施工快捷等优点，但其存在抗疲劳和耐久性能力缺陷。

本文结合实际项目，考虑桥位处于强腐蚀性环境区域且上跨运营铁路，桥梁上部结构采用钢箱梁设计。针对耐久性，钢箱梁截面采用特殊设计；针对抗疲劳性，梁片间设置外露横向贯通横隔板，但外露横隔板不利于梁体耐久性和施工作业时间，但减少（或取消）横向贯通横隔板，本文根据梁间顶板纵向连接焊缝抗疲劳验算来优化横隔板数量，以期为同类项目设计提供参考方法。

1 工程概况

本项目公路等级为一级公路，设计车速80 km/h，与既有铁路交叉，斜交角度66°，桥梁采用48 m+48 m 2 跨跨越铁路。为减少施工期对铁路的影响，上部结构采用连续钢箱梁结构，钢主梁采用工厂分节段预制，节段间采用工地现场焊接。

全桥分幅设计，单幅桥面宽度12.5 m，横断面设置3 片斜腹板箱梁，梁高2.2 m，梁片间通过顶板焊接成为整体截面。下部结构采用Y 型柱式墩，墩身采用圆形截面；基础形式采用承台群桩基础。

钢箱梁横断面见图1。

图1 钢箱梁横断面（单位：mm）

2 横隔板分析

本项目位于强腐蚀性环境区域，上跨运营铁路。为减少施工期间箱外焊接工作量和便于后期耐久性维护，单片主梁箱室采用全封闭式设计，箱外不设置加劲肋，无悬臂翼缘板，每隔固定间距设置1 道单箱箱内横隔板。

设计初期，在梁端支座处，设置横向贯通横隔板将3 片主梁连为整体；在梁跨间处，通过箱梁外伸顶板间的纵向对接焊缝将3 片主梁连为整体，顶板连接段宽30 cm。

在汽车荷载作用下，3 片主梁各自的挠度变形对顶板的纵向焊缝应力影响较大。因此，在满足主梁总体计算要求的前提下，研究优化梁跨间的横向贯通横隔板设置数量，对本项目尤为重要。

横向贯通横隔板能将各主梁相互连接，增强梁体整体刚度，扩散桥面荷载分布，避免单梁荷载过于集中从而加大单梁的负担。因此，总体计算时，可根据增减横隔板数量，通过数值模拟分别对主梁进行计算，分析各构件受力即可，本文不作研究。

由以上分析可知，横隔板能提高上部结构整体刚度，减小顶板连接段应力的变化幅度（即疲劳应力幅）。因此，可通过主梁间的连接顶板及其纵向焊缝的疲劳验算，来优化横向贯通横隔板的设置数量。

3 顶板疲劳分析计算

3.1 基本概念

疲劳破坏是指在荷载反复作用下，结构构件母材和连接缺陷处或应力集中部位形成微细的疲劳裂纹，并逐渐扩展以至最后断裂的现象。它是一个累积损伤过程，破坏时材料名义应力远低于其屈服强度。

焊接钢材在施焊时产生明显的局部温差，随着冷却时间的增加，焊缝处的温度由表向内逐渐降低，构件内部存在不均匀温度场。基于材料热胀冷缩原理，先后冷却的两部分钢材之间存在变形约束效应，先冷却部分被后冷部分被动压缩，后冷却部分的自由收缩受限，从而产生最终的残余应力（见图2）。

图2 焊缝残余应力过程示意

因此，在外荷载作用下，钢材应力比对疲劳影响不大，而应力幅起主要作用。疲劳计算方法应按基于名义应力的容许应力幅法[1]。

影响结构疲劳破坏的主要因素包括结构细部构造、连接型式、应力循环次数、最大应力值和应力变化幅度(应力幅)。根据幅值变化规律，疲劳可分为等幅疲劳和变幅疲劳。

3.2 计算模型及荷载

（1）计算模型：采用有限元程序，按板单元分别建立2 个整梁模型，即主梁跨间无横向贯通横隔板模型（以下简称“分离式模型”）和主梁跨间有横向贯通横隔板模型（单跨设置3 道）（以下简称“横梁式模型”）。主墩支座施加横纵向位移约束，过渡墩支座释放纵向约束，所有支座均释放弯矩约束。

（2）网格划分：板单元采用4 边形网格划分，网格尺寸从上至下逐渐变大，顶板及U 肋单元尺寸取150 mm，上腹板及横隔板取300 mm，其他构件取900 mm（见图3）。

图3 模型网格示意

（3）荷载：关于汽车荷载，疲劳荷载计算模型Ⅲ用于计算正交异性钢桥面板，其考虑了轮载的横向位置，适用于局部模型的影响面布载。本文计算目标是主梁间的顶板连接纵缝，因此采用疲劳荷载计算模型Ⅰ。根据公路钢结构桥梁设计规范，疲劳荷载计算模型Ⅰ采用等效车道荷载，且考虑多车道的影响[2]。

本桥单幅采用3 车道布置，内侧2 车道各宽3.75 m，外侧车道宽3.5 m（见图4）。

图4 车道横向布置示意

结合公路桥涵设计通用规范[3]，单车道荷载计算等效值为Pk=249.2 kN，qk=3.15 kN/m。内车道计算面荷载为1.532 kN/m2，外车道面荷载为1.642 kN/m2，共考虑7 种荷载工况（见表1）。

表1 荷载工况一览表

3.3 疲劳应力幅验算

3.3.1 计算依据

关于疲劳计算，欧洲规范是按双对数坐标上等间距的规则布置疲劳细节数值，其规范在编制时，搜集了大量钢结构疲劳试验的数据，并根据这些数据落于疲劳曲线上的位置来确定对应构造物分类（或连接）的细节类别[2]。

公路钢结构桥梁设计规范借鉴了欧洲规范中的曲线，但将各个细节类别的数值向下调整到5 的整倍数，且正应力幅疲劳强度曲线由双对数坐标系下的3 段直线构成。

正应力幅疲劳强度曲线（见图5）方程为：

图5 正应力幅疲劳强度曲线

式中：NR为应力循环次数；ΔσmR为对应m 值的正应力疲劳强度；ΔσmC为对应m 值的正应力疲劳细节类别；ΔσmD为对应m 值的正应力幅；ΔσR为NR＞108时的正应力疲劳强度；ΔσL为NR＞108时的正应力疲劳截止限；ΔσD为正应力幅疲劳极限；ΔσC为正应力疲劳细节类别。

剪应力幅疲劳强度曲线（见图6）方程为：

图6 剪应力幅疲劳强度曲线

式中：ΔτmR为m 值对应的剪应力疲劳强度；ΔτmC为m值对应的剪应力疲劳细节类别；ΔτR为NR＞108时的剪应力常幅疲劳极限；ΔτL为NR＞108时的剪应力幅疲劳截止限；ΔτC为剪应力疲劳细节类别。

3.3.2 计算结果

选取主梁最不利截面计算，即主墩支点处、梁跨跨中和跨间横隔板中间段。计算公式如下：

式中：γFf为荷载分项系数；γMf为疲劳抗力分项系数；ks为尺寸效应折减系数；ΔσP、ΔτP为计算所得的正应力幅与剪应力幅；Δφ 为放大系数；ΔσD为正应力常幅疲劳极限；ΔτL为剪应力幅疲劳截止限；σPmax、σPmin为计算所得的最大和最小正应力；τPmax、τPmin为计算所得的最大和最小剪应力。

疲劳细节类别为90，γFf=1，γMf=1.35，Δφ=0，ks=1。由式（4）得ΔσD=66.3 MPa；由式（6）得ΔτL=41.1 MPa；由式（7）得名义容许正应力幅为49.1 MPa；由式（8）得名义容许剪应力幅为30.5 MPa。

有限元程序计算表明，分离式模型顶板纵向焊缝处的应力值最大，主要发生在跨中截面（见图7）；横梁式模型顶板应力分布较均匀。计算结果见表2～表6（表中SXX 为横桥向正应力，SYY 为纵桥向剪应力）。