楊健 李明輝 崔建偉 王昊

（1.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司 浙江寧波 315000；2.河海大學土木與交通學院江蘇南京 210000）

鋼箱梁具有跨越能力大、結構自重小、抗風穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在大跨徑纜索支承橋梁中得到了廣泛應用［1-2］。鋼橋面板直接承受輪載作用，局部構造復雜，在循環(huán)荷載作用下，易出現(xiàn)疲勞裂紋［3-4］。大跨徑斜拉橋主梁通常采用鋼箱梁的構造形式，斜拉橋鋼箱梁承受較大的軸向力，為改善鋼箱梁受力，通常布置內部縱向橫隔板，簡稱為縱隔板［5］。

縱隔板能夠增強鋼箱梁的抗彎、抗剪和抗扭能力，減小橋面板產(chǎn)生的局部變形，增強鋼箱梁的安全儲備［6］。根據(jù)有關規(guī)范及技術資料分析，設置縱隔板的箱梁的有效寬度要比無縱隔板時增加30%（在支點處）［7］。但在橋梁運營一段時間之后，往往發(fā)現(xiàn)空腹式縱隔板腹桿與節(jié)點板連接處出現(xiàn)裂紋［8］?？v隔板位于重車道與快車道之間，兩側橫隔板-U肋圍焊位置受到的車輛荷載循環(huán)作用最大，有必要開展研究。

本文建立了正交異性鋼橋面板的節(jié)段有限元模型，通過對比有無縱隔板時橫隔板圍焊端、弧形缺口及焊趾應力，分析了縱隔板對鋼箱梁典型疲勞細節(jié)受力性能的影響；通過提取縱隔板兩側各U 肋焊縫主拉應力，分析了縱隔板對局部初始應力的影響范圍。

1 有限元分析

鋼橋面板頂板、鋪裝層、橫隔板、U 肋厚度分別為16mm、60mm、10mm 和8mm，相鄰橫隔板間距3.75m，相鄰U肋間距600mm。縱隔板厚度10mm，位于第五根與第六根U肋之間。鋼橋面板材料采用Q345qD鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；鋪裝層彈性模量為1000MPa，泊松比為0.3。模型全局網(wǎng)格尺寸為50mm，子模型全局尺寸為20mm，網(wǎng)格加密尺寸為1mm。模型約束橫隔板邊界的所有平動自由度和轉動自由度，約束頂板、U肋和縱隔板邊界的所有平動自由度，鋼橋面板節(jié)段模型如圖1所示。

圖1 鋼橋面板節(jié)段模型

根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64-2015）中提出的標準疲勞車荷載模型，標準疲勞車每根軸重120kN，單側車輪軸載為60kN，荷載作用面積為600mm（橫向）×200mm（縱向），且荷載集度為0.5MPa。荷載作用位置如圖2所示。利用FORTRAN編制DLOAD子程序進行車輪加載，橫橋向作用在縱隔板右側3 根U肋的正上方，縱橋向作用在3道橫隔板之間，從橫隔板A向橫隔板C移動，設置51個荷載分析步，荷載步步長為150mm。

圖2 荷載工況

2 縱隔板對鋼橋面板受力的影響

2.1 最大主應力分析

分別提取是否設置縱隔板時靠近縱隔板位置第二根U肋的遠離縱隔板側的U肋焊縫圍焊端焊趾的最大主應力，如圖3所示。圍焊端的兩條主應力曲線變化形式基本一致，是否設置縱隔板對圍焊端主應力最不利荷載位置及主應力分布沒有影響，圍焊端的初始應力差12MPa，應力峰值差15MPa。因此，縱隔板由于承擔斜拉橋鋼箱梁軸向壓力疊加的作用，在構造細節(jié)位置產(chǎn)生了較大的初始應力，但縱隔板對研究細節(jié)僅在車輪荷載作用下產(chǎn)生的疲勞應力影響較小，可以忽略不計。設置縱隔板時，橫隔板U 肋焊縫圍焊端的主應力幅及平均應力為56MPa和78MPa；而未設縱隔板時，其主應力幅及平均應力為54MPa 和65MPa。因此，縱隔板提高了圍焊端的平均應力，但對主拉應力幅的影響可忽略不計。

圖3 圍焊端最大主應力

分別提取是否設置縱隔板時第二根U肋遠離縱隔板側橫隔板-U 肋弧形缺口凈截面最小處的最大主壓應力，如圖4所示。是否設置縱隔板對圍焊端主應力最不利荷載位置及主應力分布沒有影響。不設縱隔板時，弧形缺口的初始應力與設置縱隔板時應力峰值差6MPa。由此可知，縱隔板降低了該點的初始應力水平，但由于斜拉橋鋼橋面板弧形缺口位置的初始應力本身應力值較小，因此，是否設置縱隔板對弧形缺口位置的影響可忽略不計。

圖4 弧形缺口主壓應力

為研究是否設置縱隔板時弧形缺口的應力幅及平均應力，設置縱隔板時的主應力幅及平均應力為-58MPa 和-31MPa，而未設縱隔板時其主應力幅及平均應力為-60MPa 和-39MPa。設置縱隔板，降低了弧形缺口的平均應力，但對主壓應力幅的影響可以忽略不計。

分別提取是否設置縱隔板時第二根U肋遠離縱隔板側橫隔板-U肋焊縫U肋焊趾的最大主壓應力，如圖5所示。U 肋焊趾的兩條主應力曲線變化形式基本一致，是否設置縱隔板對圍焊端主應力最不利荷載位置及主應力分布沒有影響。

圖5 U 肋焊趾主拉應力

2.2 影響范圍分析

研究區(qū)域位于距離縱隔板的第二根U 肋遠端，橫向距離約為1m，中間相隔3 處橫隔板-U 肋焊縫細節(jié)，1.5 根U 肋。考慮到正交異性鋼橋面板局部受力復雜且應力影響線短，縱隔板對于輪載作用下的疲勞應力影響范圍可能到達不了研究區(qū)域，若僅考慮縱隔板對初始應力的影響，無法準確地反映出縱隔板的影響范圍和影響機理，因此，需就初始應力及構造細節(jié)疲勞應力分別進行縱隔板影響范圍分析。

對于縱隔板對構造細節(jié)初始應力的影響，選取初始應力最大的橫隔板-U 肋圍焊端靠近橫隔板焊趾位置的初始應力，以縱隔板為中心，重車道位置提取5根U肋，交換車道提取3根U肋，共計16個構造細節(jié)應力提取點，是否設置縱隔板的初始主拉應力如圖6所示。在不設置縱隔板情況下，圍焊端的初始主拉應力基本保持在同一水平，其疲勞性能的差異僅與車輛荷載作用位置有關；在設置縱隔板時，以縱隔板為界，靠近縱隔板側的圍焊端初始主拉應力較小，而遠離縱隔板側的初始主拉應力較大，縱隔板兩側的圍焊端主拉應力最大值接近70MPa，最小值不足10MPa，主應力差異明顯。同時，在靠近縱隔板的2 根U 肋范圍內存在初始應力較大的情況，而2根外的U肋，其兩側圍焊端的初始應力差較小，可忽略不計。因此，縱隔板對圍焊端初始應力的影響范圍為縱隔板兩側各2根U肋范圍內。

圖6 縱隔板對初始應力影響范圍

為研究相同荷載工況下橫橋向不同位置橫隔板-U肋焊縫圍焊端的疲勞應力情況，將車輪荷載分別作用在靠近縱隔板位置的3 根U 肋6 處圍焊端細節(jié)正上方，提取各點的應力時程如圖7所示。除了最靠近縱隔板的圍焊端細節(jié)，其余位置的主拉應力曲線變化形式基本一致，其應力峰值差與初始應力差基本一致，因此，縱隔板對這5 處圍焊端細節(jié)疲勞性能的影響可以忽略不計。對于最靠近縱隔板的圍焊端細節(jié)，其初始應力為8MPa，應力峰值僅為29MPa，當荷載作用在橫隔板正上方時，應力值較小，低于兩側工況下的主應力，并且當荷載靠近橫隔板上方時，圍焊端的主應力變化劇烈。因此，縱隔板提高了其兩側圍焊端細節(jié)的疲勞性能，降低了此位置萌生疲勞裂紋的可能，與實橋此處裂紋數(shù)量較少現(xiàn)象相符合。

圖7 縱隔板對疲勞應力影響范圍

3 結論

本文考慮斜拉橋鋼橋面板縱隔板特殊構造，在ABAQUS中建立考慮斜拉橋鋼橋面板初始應力的對比分析模型，研究斜拉橋縱隔板對鋼橋面板疲勞細節(jié)受力性能的影響，結論如下。

（1）縱隔板構造對研究區(qū)域各構造細節(jié)受力性能的影響主要體現(xiàn)在對初始應力的影響，增大了圍焊端的初始應力，降低了弧形缺口的初始應力，對U肋焊趾的影響可以忽略不計。

（2）縱隔板構造對易疲勞細節(jié)初始應力的影響范圍在其左右兩側2根U肋范圍內。

（3）縱隔板僅提高了其兩側1 根U 肋靠近縱隔板位置橫隔板-U肋焊縫末端的疲勞性能，降低了這兩處疲勞開裂的可能，與實橋此位置裂紋少的現(xiàn)象一致。