钢桁梁悬索桥正交异性钢桥面板受力分析

钢桁梁悬索桥正交异性钢桥面板受力分析

杨智

四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司610041

摘要：本文对我国西南某山区大跨径钢桁梁悬索桥的正交异性钢桥面板进行了有限元仿真分析。分析表明，目前主流的正交异性钢桥面板的构造和尺寸在车辆荷载的作用下能够满足强度和刚度的需求。但对桥面铺装而言，尚可适当增加桥面系的刚度，以减小其在车辆荷载作用下的变形，从而提高的桥面铺装的耐久性。本文的研究对今后类似桥面系的设计和改进有一定的参考意义。

关键字：悬索桥；钢桁梁；正交异性钢桥面板；车辆荷载

引言

随着桥梁跨径的增大，桥梁结构自身的重量（恒载）在结构承担的荷载中所占比重显著增大。大跨径悬索桥的设计中，在保证安全、适用和耐久的前提下，减轻结构自重成为最为重要的工作之一。悬索桥中，主梁及其桥面系贡献了相当大一部分的结构自重，桥梁工程师们因此致力于减小主梁及其桥面系的重量。在目前的建设条件下，采用钢加劲梁是减小结构自重最有效的方法。而桥面结构的自重往往在钢桥的总设计恒载中占有很大的比重，减轻桥面结构重量对于减轻钢桥恒载、提高跨越能力和经济效益有很大的意义。在大跨度桥梁中通常采用钢桥面等轻型桥面系结构[1]，其中正交异性钢桥面板是目前受力性能最优、运用最广泛的钢桥面系。

由于正交异性钢桥面板的材料用量较少，其刚度较混凝土桥面系和钢混叠合桥面系更低，其强度、刚度和疲劳问题[2]在设计中必须予以足够的重视。

本文以我国西南地区某山区大跨径悬索桥为工程背景，对架设于钢桁梁上的正交异性钢桥面板进行了力学分析，重点对自重、沥青混凝土铺装和车辆荷载作用下的桥面钢板、纵梁、横隔板、U肋、扁钢等的应力和变形进行了有限元仿真计算分析。

1工程概况

本文的研究内容基于实际工程——我国西南地区一座大跨度单跨悬索桥。该桥主桥为主跨1200m的单跨简支钢桁架加劲梁悬索桥，主缆计算跨径为325m+1200m+205m，矢跨比为1:9.5，主塔采用门式钢筋混凝土结构。

该桥主梁为钢桁加劲梁、正交异性钢桥面板，采用板桁分离式的结构。钢桁架由主桁架、主横桁架和上下平联等组成，钢材采用Q345D。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。主桁架桁高为7m，标准节间长为7.4m，标准吊索间距为14.8m。主梁标准横断面和主梁节段划分如图1所示。

主桥标准横断面图(单位：mm)主梁节段划分(单位：m)

图1主桥标准横断面及主梁节段划分

2桥面系设计概况

桥面系在横桥向分为左右两幅，由桥面板、U肋和倒T形横梁、纵梁组成。横梁设置间距2.5m+2.4m+2.5m，梁高0.6m，标准横梁厚度12mm，支座处横梁厚度16mm。纵梁横向间距3.2m，梁高0.684m-0.876m，支承在主横桁架上弦杆上，理论跨径7.4m，横桥向外侧纵梁厚度12mm，行车道纵梁厚度14mm。正交异性钢桥面板的三维模型如图2所示。

图2正交异性钢桥面板三维模型

桥面系钢板均用Q345D，桥面板厚度16mm，U肋厚度8mm。标准横隔板厚度12mm，支座处横隔板厚度16mm，其对应的翼缘板厚度分别为16mm和20mm。横桥向外侧纵梁厚度12mm，行车道纵梁厚度14mm，其对应的翼缘板厚度分别为18mm和22mm。桥面系各部位钢板的厚度如表1所示。

图3有限元模型局部视图

3.2边界条件

在桁架梁上弦的吊杆位置，以节点竖向约束模拟吊杆对桁架梁的约束作用，为了保证足够的约束而不致形成机动体系，在中间的一对吊点处施加顺桥向的约束，并在其中一个吊点处施加横桥向约束。

在桥面系纵梁底，以支座范围内的翼缘板节点群的竖向自由度服从相应的桁架梁上弦节点竖向自由度来模拟桥面系支座的竖向约束作用。在支座的水平向自由度上，同样以相应自由度的约束和自由来模拟固定方向和滑动方向。模型边界条件情况如图4所示。

图4有限元模型边界条件示意图

3.3恒载

3.3.1结构自重

有限元计算模型中，所有的钢结构均以实际设计采用的尺寸和厚度进行模拟，而材料的力学参数也采用Q345D钢材的参数。因此，结构自重由材料的质量密度和重力加速度g=9.8m/s2自动计入。

3.3.2二期恒载

桥面铺装采用7.5cm厚沥青混凝土铺装，其作用在桥面板上的每平方米竖向压力为：0.075×24×1=1.8kN/。施加范围为除两侧50cm防撞护栏宽度外的左右幅桥面板。大桥4道钢防撞护栏重力取为10.5kN/m。其作用范围为左右幅桥面板的两侧50cm宽度范围。

3.4车辆荷载计算工况

3.4.1车辆荷载标准值

桥面系计算属于局部计算，车辆荷载应使用车辆荷载。根据《公路桥涵设计通用规范》的规定，用于桥面系计算的车辆荷载重力标准值为550kN，其中，前轴重力标准值为30kN，中轴重力标准值为2×120kN，后轴重力标准值为2×140kN，轴距为3+1.4+7+1.4m，车辆横向轮距为1.8m。冲击系数取1.3。每个车轮荷载值如表2所示。

图5左、右幅车辆布置示意图

3.4.2车辆荷载计算工况

车辆荷载不同的加载位置对桥面系各部位和构件所引起的效应不同。实际运营状况下，桥面上车辆的数量和位置是一个随机过程，其分布较为复杂，难以用准确的数学模型进行描述。对桥面系而言，设计过程中主要关心的是构件在运营状态下的安全性，即各构件可能出现的最不利内力或变形。

通过桥面系结构的影响线和影响面分析，对桥面系不同构件的最不利状态进行布载，共设置了9种荷载工况。

4计算结果

4.1应力结果

经过有限元程序ANSYS的计算，前述9个计算工况中各部位最不利受力状态的vonMises应力如图6所示。

图6桥面系各部位vonMises应力云图(单位：Pa)

以上位移计算结果中，纵梁与桥面系相接处的小范围内vonMises应力存在计算峰值，该峰值仅为数值计算结果，是不真实的应力集中。除此小范围的应力失真外，桥面系其余各主要部位在9个计算工况中出现的最大vonMises应力如表3所示。

从表中可以看出，桥面系各部位在不同工况车辆荷载的作用下，最大竖向变形均可控，该桥面系具有合适的刚度。

5结论

经本文的有限元仿真计算可见，典型对正交异性钢桥面板在车辆荷载作用下强度富余较大，刚度适中。但对桥面铺装而言，尚可适当增加桥面系的刚度，以减小其在车辆荷载作用下的变形，从而提高的桥面铺装的耐久性。

参考文献

[1]吴冲.现代钢桥(上册).北京.人民交通出版社.2006.

[2]曾志斌.正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分类及其原因分析[J].钢结构,2011,26(2):9-15.