吳麗麗，安麗佩,2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引 言

傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板是用縱橫相互垂直的加勁肋連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)，平行于橋軸方向的為縱向加勁肋，垂直于橋軸方向的為橫隔板，如圖1。正交異性板除作為橋面外，還是主梁截面的組成部分，且發(fā)揮了縱向加勁肋、橫隔板以及主梁上翼緣的作用，以較少的鋼材發(fā)揮了最大化效用，顯著節(jié)省材料。故第二次世界大戰(zhàn)后，德國境內(nèi)橋梁大范圍損壞亟待重建且鋼材供應(yīng)緊張，基于正交異性鋼橋面板的優(yōu)勢，分別于1950、1954年修建了世界上第一座開口加勁肋和閉口加勁肋橋梁[1-3]。我國在1970年建造了首例使用正交異性板的橋梁——潼關(guān)黃河鐵路橋[4]，隨后又有幾十座采用正交異性鋼橋面板的大型橋梁落成，如江陰長江大橋、蘇通長江大橋等。

伴隨著正交異性鋼橋面板的廣泛使用，問題也逐漸突顯出來。反復(fù)作用的車輛荷載引起的損傷累積、承受荷載時顯著的局部效應(yīng)、較短的應(yīng)力影響線、車輛駛過會引起的應(yīng)力循環(huán)，以及焊接節(jié)點處應(yīng)力集中和焊接缺陷，使得正交異性鋼橋面板易于出現(xiàn)疲勞開裂[5]。而且，易于出現(xiàn)裂紋的位置點被包裹在橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，肉眼很難注意到，從而導(dǎo)致疲勞問題在前期易被忽略。1966年，英國的Severn橋[6]僅服役了5年，主梁上就發(fā)現(xiàn)了3種形式焊接細節(jié)的疲勞裂紋；在我國，建于1997年的虎門大橋[7]投入運營6年后開始出現(xiàn)疲勞裂紋，至2008年該橋下游最外側(cè)重車車道鋪裝被整體打開，發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫78條。針對正交異性鋼橋面板的疲勞問題，國內(nèi)外學(xué)者[8-11]進行了相關(guān)研究，但從改造結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面來緩解或從根本上解決正交異性鋼橋面板疲勞問題的研究較少。

針對疲勞最常見的縱肋-蓋板連接處和兩者連接處的一個特殊位置——蓋板-縱肋-橫梁三者匯聚處的疲勞問題，筆者所在課題組聯(lián)合浙江中隧橋波形鋼腹板有限公司研制了6種新型正交異性鋼橋面板，旨在從結(jié)構(gòu)上避開這2個疲勞敏感位置，同時拓寬橋面板受荷時的分布寬度，緩解局部效應(yīng)。首先，參照國內(nèi)外較大鋼橋正交異性鋼橋面板的設(shè)計方案，確立了傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板中構(gòu)件的尺寸和材料；然后，在保證用鋼量基本一致的原則下，對比分析了傳統(tǒng)和6種新型正交異性鋼橋面板的靜力承載性能，得出以折線板替代傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板中的縱肋，并增添底板，用螺栓栓接折線板和頂板、底板的折線板型鋼橋面板為最優(yōu)的方案；最后，進行局部模型分析，發(fā)現(xiàn)當承受局部車輪荷載時，傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板橫橋向傳力不良，局部效應(yīng)顯著，而折線板型鋼橋面板增強了橋面板橫向剛度和整體剛度，且在一定程度上拓展了橋面板橫向的應(yīng)力影響寬度。

筆者以折線板型鋼橋面板為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，通過在最不利荷載位置點上施加車輪荷載P，分析截面幾何參數(shù)(頂板厚度dt、底板厚度db及折線板厚度df、高度hf、間距l(xiāng)f等5個截面參數(shù))對折線板型鋼橋面板受力性能的影響，并給出該橋面板各截面參數(shù)的設(shè)計建議值；然后以某公路橋正交異性鋼橋面板的中間一梁段構(gòu)件為依據(jù)，分別建立傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板和建議折線板型鋼橋面板的整體有限元模型，對2種方案在標準車輛下的力學(xué)性能進行了對比分析。結(jié)果表明：折線板型鋼橋面板不僅從結(jié)構(gòu)上避開了疲勞敏感位置即縱肋-蓋板連接處和蓋板-縱肋-橫梁三者匯聚處且在一定程度上增寬了荷載在橋面板橫向的傳力范圍，顯著降低了頂板最大應(yīng)力值，使得應(yīng)力分布變得均勻，而其對縱橋向影響可忽略不計。

1 模型建立

采用有限元軟件ABAQUS建立折線板型鋼橋面板的局部有限元模型(圖2)，取行車方向為縱橋向，其中橫橋向?qū)挾葹?.00 m，縱橋向取3跨，兩橫隔板間距為3.75 m，總長11.25 m。

鋼橋面板和鋪裝瀝青分別采用四節(jié)點曲面薄殼或厚殼單元S4R和八節(jié)點線性六面體單元C3D8R模擬，且將鋪裝層與鋼板剛接在一起考慮，即它們之間不存在任何滑移。鋼橋面板所用鋼材全部為Q345，其彈性模量為Es=206 GPa，屈服強度為fy=345 MPa，泊松比為vs=0.3；采用60 mm厚的單層瀝青進行鋪裝，因只考慮瀝青鋪裝層對荷載的擴散作用，故參數(shù)設(shè)置：彈性模量為Ea=1 600 MPa，泊松比為va=0.4。有限元模型如圖3。

設(shè)置邊界條件：鋪裝層與頂板綁定在一起，橋面板縱橋向的兩邊設(shè)為可以有豎向撓度，但不能水平移動，橫隔板底部完全固結(jié)。根據(jù)JTG D 60—2015《公橋涵設(shè)計通用規(guī)范》及JTG B 01—2014《公路工程技術(shù)標準》，選擇車輛重力標準值為550 kN的后軸為荷載標準即加載面積為0.2 m × 0.6 m，荷載大小為70 kN，在不考慮沖擊系數(shù)的情況下，以鋼橋面板豎向最大撓度ymax、頂板橫向最大拉應(yīng)力σt,max和底板橫向最大拉應(yīng)力σb,max為指標，在保證結(jié)構(gòu)尺寸的撓跨比滿足JGT D 64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的基礎(chǔ)上，對折線板型鋼橋面板的截面幾何參數(shù)，即頂板厚度dt、底板厚度db及折線板厚度df、高度hf、間距l(xiāng)f等參數(shù)進行分析，提出折線板型鋼橋面板截面幾何參數(shù)的設(shè)計建議值。

2 折線板型鋼橋面板截面參數(shù)分析

2.1 頂板厚度dt

根據(jù)對傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板力學(xué)性能分析，蓋板厚度是鋼橋面板靜力性能的主要影響因素之一，即增加蓋板厚度dt能明顯減小車輪荷載P作用下傳統(tǒng)鋼橋面板的撓度及橫向最大拉應(yīng)力。雖然折線板型鋼橋面板與傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板在結(jié)構(gòu)上存在差異，但頂板仍為主要組成構(gòu)件，故在保證折線板型鋼橋面板結(jié)構(gòu)尺寸的撓跨比滿足JGT D 4—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的基礎(chǔ)上，參照傳統(tǒng)鋼橋面板，將頂板厚度dt從7 mm開始，以2 mm的間隔增加。考慮傳統(tǒng)型橋面板局部厚度已達22 mm，故取折線板型鋼橋面板頂部鋼板最大厚度dt,max=21 mm。結(jié)構(gòu)其他部位尺寸與圖2相同，則頂板厚度dt對折線板型鋼橋面板頂板橫向最大拉應(yīng)力σt,max、底板橫向最大拉應(yīng)力σb,max及豎向最大撓度ymax的影響如圖4。

由圖4可以看出：

1)σt,max隨著dt的增加而顯著減小，但減小幅值在dt=11 mm處突然降低，即dt>11 mm后，dt改變對σt,max影響不大。

2)σb,max隨著dt的增加呈線性減小，但減小總值僅為1.58 MPa，故可忽略dt的影響。

3)dt增大使得ymax呈非線性減小，但減小總值僅為0.088 mm，表明dt的增加雖可使ymax減小，但效果一般。

綜上，兼顧經(jīng)濟性考量，建議頂板厚度取值dt=11 mm。

2.2 底板厚度db

相較于傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板，折線板型鋼橋面板增添了底板，考慮到頂板厚度dt=11 mm，故將底板厚度db從1 mm增加至11 mm(從無至有)，分析底板厚度db對折線板型鋼橋面板靜力性能的影響，如圖5。結(jié)構(gòu)其他部位尺寸仍保持不變。

由圖5可知:

1)當db≤5 mm時，σt,max隨著db的增加而顯著降低；當db> 5 mm時，σt,max基本保持不變，不受db的影響。

2)db的增加使得σb,max有較為均勻的減小，且效果顯著。

3)ymax隨著db的增加呈非線性降低，當db=0 → 6 mm時，ymax減小較顯著。

綜上，考慮到在實際營運期難以發(fā)現(xiàn)和維修底部鋼板出現(xiàn)的問題，故建議底板厚度值db=7 mm。

2.3 折線板

用折線板替代傳統(tǒng)鋼橋面板中的縱肋，是折線板型鋼橋面板有別于傳統(tǒng)鋼橋面板重要特點之一。其主要優(yōu)勢包括：①用螺栓連接折線板和頂板、底板，取代了傳統(tǒng)鋼橋面板的焊接方式，從數(shù)量上減少了焊接位置；②可使得橋梁橫向剛度和整體剛度增大。折線板作為一個整體，其主要截面參數(shù)是厚度df、高度hf和間距l(xiāng)f。

2.3.1 折線板厚度df

傳統(tǒng)鋼橋面板通過縱肋對蓋板加勁，使得整個鋼橋面板的剛度得到增強；折線板型鋼橋面板的折線板有加勁頂板的作用，并且由于連接了頂板及底板，使得頂板所承受的荷載可以有效地傳遞至底板，增強了折線板型鋼橋面板的整體性，大大提高了折線板型鋼橋面板橫向抗彎剛度?；趥鹘y(tǒng)鋼橋面板加勁肋的設(shè)計厚度，兼顧折線板型鋼橋面板整體性，確定折線板厚度df=2～9 mm，且dt=11 mm，db=7 mm，則df對折線板型鋼橋面板靜力性能的影響如圖6。

由圖6可知：

1)隨著df的增大，σt,max先快速降低然后緩慢增大，df=4 mm處為最小拉應(yīng)力值點；df> 3 mm后，df對σt,max的影響很??；而σb,max與其相反，僅僅是df在最初2～3 mm內(nèi),df對σb,max的影響較顯著。

2)隨著df的增大，ymax呈非線性減小，當df=4 mm時，ymax減少值約占總降幅的65%。

3)在df增加過程中，σb,max始終小于σt,max。

綜上，兼顧經(jīng)濟性要求，建議df=4 mm。

2.3.2 折線板高度hf

日本《道路橋示方書》規(guī)定，若為梯形加勁肋則高度一般為240 mm和260 mm兩種規(guī)格，而我國梯形加勁肋高度一般為280～300 mm。基于這兩種加勁肋高度取值，且dt=11 mm，db=7 mm，df=4 mm，并取折線板高度hf=240～300 mm，則折線板型鋼橋面板的力學(xué)性能變化如圖7。

由圖7可以看出：

1)隨著hf的增大，σt,max近似地呈線性增長，而σb則線性降低，兩者的變化總值僅分別為1.15 MPa和2.27 MPa。

2)隨著hf的增大，ymax呈現(xiàn)不均勻減小，在hf=260 mm處，減小幅度顯著，約占總降幅的40%。

綜上，hf對折線板型鋼橋面板總體影響不大，故以相對較為顯著的ymax為控制指標，建議hf=260 mm。

2.3.3 折線板間距l(xiāng)f

在傳統(tǒng)鋼橋面板中，縱肋是主要組成構(gòu)件，參與受力，同時起到防止蓋板受壓時發(fā)生整體屈曲的作用?？v肋間距過大，蓋板可能發(fā)生局部失穩(wěn)；過小，則不便于橋面板的安裝制造。考慮到折線板型鋼橋面板采用折線板加勁與傳統(tǒng)的加勁肋差異較大，且其頂板厚度dt僅為11 mm，故分析當lf=100、160、200、250、320和400 mm時，lf對折線板型鋼橋面板力學(xué)性能的影響如圖8。其他3個參數(shù)選取筆者建議值：dt=11 mm，db=7 mm，df=4 mm。

由圖8可知：

1)隨著lf的增加，σt,max呈現(xiàn)較為顯著的均勻增長趨勢，當lf=320～400 mm，σt,max變化值達7.11 MPa。

2)除了在lf=200 mm處以外，總體上，隨著lf的增加，σb,max呈現(xiàn)不均勻增長，在lf=100～160 mm處，σb,max增值達8.29 MPa，為總變化幅值的70%。

3)ymax隨著lf的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，變化幅值顯著，且在lf=200 mm處，ymax達到了最小值。

綜上，建議折線板間距l(xiāng)f=200 mm。

3 折線板型鋼橋面板的整體模型分析

基于某公路橋正交異性鋼橋面板中間一梁段，采用有限元軟件ABAQUS，建立了折線板型鋼橋面板和傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板的整體有限元模型，對比分析了橋面板的靜力性能。模型尺寸為：橫隔板高度1.5 m，厚度12 mm，間距4 m；主梁腹板高度3.0 m，厚度24 mm；主梁翼緣寬度0.4 m，厚度48 mm。傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板的蓋板、縱肋等尺寸如圖9；折線板型鋼橋面板的頂板、折線板及底板的尺寸取筆者的建議值。

考慮到折線板型鋼橋面板改進的針對對象是傳統(tǒng)鋼橋面板的橫橋向截面構(gòu)造，以及模型計算耗時問題，將鋼橋面板整體模型的橫向尺寸取為實橋?qū)嶋H寬度19.5 m，縱向僅取3個橫隔板間距，總長為12 m。在模型中，頂板、縱向加勁肋、折線板、底板、橫隔板以及主梁等均采用Q345鋼，彈性模量為Es=206 GPa泊松比為vs=0.3，屈服強度為fy=345 MPa；采用單層瀝青鋪裝體系，厚度為60 mm，彈性模量為Ea=1 600 MPa，泊松比為va=0.4。參照JTG D 60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》和JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標準》中的車輛荷載標準值進行加載。因整體模型縱橋向的長度為12 m，不能將整輛重車的荷載施加在橋面板上部，故僅取重車的后軸荷載加載至模型橫橋向跨中與縱橋向跨中的相交處，傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板和折線板型鋼橋面板整體有限元模型及加載位置如圖10。

3.1 撓 度

在汽車后軸車輪荷載下，傳統(tǒng)鋼橋面板和折線板型鋼橋面板整體有限元模型的撓度云圖如圖11。鋼橋面板縱向跨中位置處沿著橋面板橫向的撓度y跨中變化曲線如圖12，圖中橫坐標x為沿鋼橋面板橫向的坐標值。

從圖11可以看出，不論在橋面板橫向還是縱向，折線板型鋼橋面板撓度分布范圍均顯著加寬，即對荷載在橋面板橫向和縱向的傳遞范圍而言，折線板型鋼橋面板明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼橋面板。

從圖12可以看出：

1)傳統(tǒng)鋼橋面板縱向跨中位置處沿橫向最大豎向撓度為4.068 mm，懸臂部分產(chǎn)生的最大翹曲撓度為1.798 mm；折線板型鋼橋面板縱向跨中位置處沿橫向最大豎向撓度為3.028 mm，懸臂部分產(chǎn)生的最大翹曲撓度為1.600 mm。這表明，折線板型鋼橋面板增強了鋼橋面板整體剛度和橫橋向剛度。

2)傳統(tǒng)鋼橋面板承受荷載位置處的撓度出現(xiàn)了突然增大的現(xiàn)象，而折線板型鋼橋面板未出現(xiàn)此種現(xiàn)象，且折線板型鋼橋面板撓度曲線的斜率略微小于傳統(tǒng)鋼橋面板。這表明，承受車輪荷載時，折線板型鋼橋面板沿著橋面板橫向撓度分布更為均勻。

綜上，與傳統(tǒng)鋼橋面板相比，折線板型鋼橋面板不僅增強了鋼橋面板整體剛度和橫向剛度，而且還使其沿著橋面板橫向變形的分布更均勻。

3.2 應(yīng) 力

在汽車后軸車輪荷載下，傳統(tǒng)鋼橋面板和折線板型鋼橋面板整體模型頂板應(yīng)力云圖如圖13。經(jīng)數(shù)值分析得出的橋面板縱向跨中位置處沿橋面板橫向距離x的橫向應(yīng)力σt變化曲線，如圖14。

由圖13可見，當承受汽車后軸車輪荷載時，傳統(tǒng)鋼橋面板沿橋面板橫向應(yīng)力影響寬度很小，局部效應(yīng)明顯，故沿著鋼橋面板橫向應(yīng)力σt變化情況仍是考察的重點，這與局部模型得出的結(jié)論是一致的；折線板型鋼橋面板使得橋面板橫向在承受荷載時的傳力范圍得到了擴展，效果較為顯著。

從圖14可以看出：

1)在車輛后軸車輪荷載作用下，傳統(tǒng)鋼橋面板縱向跨中位置處橫向拉應(yīng)力最大值σtl,max=9.120 MPa，橫向壓應(yīng)力最大值σtp,max=14.971 MPa；折線板型鋼橋面板縱向跨中位置處橫向拉應(yīng)力最大值σtl,max=0.563 MPa，橫向壓應(yīng)力最大值σtp,max=7.299 MPa，較傳統(tǒng)鋼橋面板分別降低了93.8%和51.2%。

2)傳統(tǒng)鋼橋面板橫向應(yīng)力σt變化僅發(fā)生在荷載作用處及其左右各1～1.5個縱肋寬度范圍內(nèi)；折線板型鋼橋面板雖然在此范圍內(nèi)橫向應(yīng)力變化較為顯著，但在其他位置處仍有橫向應(yīng)力的存在，只是較此處變化較緩，表明折線板型鋼橋面板在距離荷載較遠的其他位置處仍有荷載的傳遞。

綜上，與傳統(tǒng)鋼橋面板相比，折線板型鋼橋面板不僅增寬了荷載在橋面板橫向的傳力范圍，而且還顯著降低了頂板最大應(yīng)力值，使得橋面板上應(yīng)力分布更加均勻。

3.3 主梁支反力FN

考慮到局部模型未包括主梁，且對鋼橋面板受力性能分析均是在橫橋向展開的，故筆者對在車輛后軸車輪荷載時主梁支反力FN分布情況進行分析，以考察折線板型鋼橋面板相對于傳統(tǒng)鋼橋面板在橋面板縱向的傳力改善情況，計算結(jié)果如圖15。

由圖15可知：折線板型鋼橋面板和傳統(tǒng)鋼橋面板在主梁傳力情況幾乎完全相同，表明折線板型鋼橋面板對橋面板縱向沒有影響。

4 結(jié) 論

以一種新型折線板型鋼橋面板為研究對象，通過在最不利荷載位置點上施加車輪荷載，分析了頂板厚度dt、底板厚度db，及折線板厚度df、高度hf、間距l(xiāng)f等5個截面參數(shù)對折線板型鋼橋面板受力性能的影響，給出了折線板型鋼橋面板截面參數(shù)的設(shè)計建議值?；谀彻窐蛘划愋凿摌蛎姘宓闹虚g一梁端構(gòu)件，分別建立傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板和折線板型鋼橋面板的整體有限元模型，對比分析了這2種方案在標準車輛下的力學(xué)性能。得到主要結(jié)論如下：

1)dt的增加僅對頂板的力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著改善，而對底板的影響不大。

2)db的改變不僅會對底板的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，而且當db<5 mm時，也會顯著影響頂板的力學(xué)性能。

3)lf對折線板型鋼橋面板力學(xué)性能影響最為顯著，df僅在最初2～3 mm內(nèi)影響較顯著，hf的影響可忽略不計。

4)提出了折線板型鋼橋面板截面參數(shù)的設(shè)計建議值：dt=11 mm，df=4 mm，db=7 mm，hf=260 mm，lf=200 mm。

5)對傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板和折線板型鋼橋面板整體模型的研究，進一步證實了折線板型鋼橋面板不僅從結(jié)構(gòu)上避開了最常見的應(yīng)力集中部位——縱肋-蓋板連接處，及較為敏感的位置——蓋板-縱肋-橫梁三者匯聚處，而且在一定程度上顯著改善了橋面板橫橋向的力學(xué)性能，對縱橋向影響可忽略不計。