双工字钢板组合梁疲劳性能参数化分析

双工字钢板组合梁疲劳性能参数化分析

陈维平

陈维平

安徽省交通控股集团有限公司安徽合肥230001

摘要：新型钢板组合梁构造简单，并且能够充分发挥钢与混凝土的材料特性，但相对多主梁式钢板梁，双工字钢板组合梁结构体系横向刚度较小，竖向荷载作用下，主梁横向变形较大，加上主梁焊缝较多，会出现疲劳问题。本文从参数化分析影响其疲劳性能的因素，对疲劳关键细节进行分析，为双工字钢板组合梁的长期性能提供依据。

关键词：钢板组合梁；面外变形；疲劳应力幅；参数化

中图分类号：U448文献标志码：A

0引言

钢板组合梁是组合结构桥梁结构体系常用的一种。桥梁钢构件的疲劳可分为荷载疲劳与面外变形疲劳，荷载疲劳只需计算荷载作用下钢梁的面内应力即可进行疲劳设计与分析；而面外变形疲劳并不与荷载直接相关，而是取决于钢梁细节处的局部面外变形。已有的研究表明，钢板梁桥、钢箱梁桥、钢框架桥墩等都存在大量的面外变形引起的疲劳裂缝。

在钢板组合梁桥中，常在受拉翼缘和加劲肋之间留有一定高度的腹板间隙。少主梁钢板组合梁桥在荷载的作用下各钢梁会产生明显的相对挠度差；同时由于偏载引起的扭转效应也会引起两根主梁的不协同变形，使得腹板间隙间发生面外变形。参考美国AASHTO规范中关于疲劳计算的相关规定，对济祁高速钢板组合梁桥主要部位的钢板梁疲劳性能进行分析。

1工程背景

背景工程“济祁高速淮-河特大桥引桥”上部结构采用双主梁钢板组合梁桥形式，标准跨分别为30m和35m，桥面全宽26.5m，采用分幅方式。

图1钢板组合梁桥的立面布置图

钢板组合梁桥主梁断面采用直腹式双工字钢板组合梁，双主梁间距7.225m，中心线处的梁高均为1.75m，双主梁之间采用横向连系梁加强横向联系。

钢板梁采用工厂分节段分片预制，运至施工现场后各节段焊接横向连系梁形成双片梁体系，吊装就位后进行节段间焊接作业，最终成为连续梁。

2计算模型

图2为计算中采用的全桥三维模型，全桥共包含四跨一联，每跨为35m。模型对于关键焊缝位置进行了网格的精细划分，以保证计算结果的准确性。

图2钢板组合梁疲劳计算模型

计算荷载：活载应力幅由疲劳车加载计算获得。AASHTOLRFD2012版第3.6.1.2.2条规定，标准疲劳车中后轴重145kN。

3结构整体疲劳性能分析

成桥后主梁的上翼缘应力变化幅度较小，因此疲劳验算主要针对钢板梁下翼缘及腹板下部主要受力构件的焊缝位置选取验算点进行计算。

钢板梁各验算点的有限寿命常幅疲劳验算结果见表1。从表中可以看出，在标准疲劳车的作用下，各验算点的设计疲劳应力幅均没有超过名义疲劳强度，即各验算点的疲劳性能均满足有限寿命（75年）常幅疲劳验算的要求。

4局部疲劳性能参数化分析

4.2参数化分析

建立简化的有限元模型进行参数分析，重点研究腹板间隙大小、腹板厚度、小横梁刚度、主梁间距等关键结构参数对腹板间隙外变形应力的影响。

4.2.1腹板间隙大小

考虑腹板间隙大小d分别为0（加劲肋下端紧贴翼缘板而不焊接）、10、25、50、100、150、200mm几种情况。

由图4可知，在不同的腹板间隙下，A点随着腹板间隙的增大，E点的最大压应力及A点的拉应力均出现了先增大后减小的现象，其中最大压应力出现在d=25mm，最大拉应力出现在d=50mm。在设计过程中，应尽量避开这些使得竖向弯曲应力增大的腹板间隙。

图4间隙大小影响（2号横梁）

4.2.2小横梁刚度

由图7可知，随着小横梁的高度逐渐增高，即小横梁的刚度逐渐增大，腹板空隙处的应力逐渐减小。当小横梁的刚度达到一定程度时，再继续增加小横梁的刚度，腹板空隙处的应力的减小都很不明显，对腹板空隙平面外变形的影响极为有限。因此通过增加小横梁刚度改善腹板空隙处疲劳性能的方法应在一定的限度内进行。

图6不同小横梁刚度影响（2号横梁）

4.2.3主梁间距

主要考虑两片钢主梁的间距分别取6.5、7、7.5、8、8.5m。各钢主梁间距下2号小横梁位置不同腹板间隙高度的横向相对位移与竖向弯曲应力如下所示。

随着主梁间距的增大，在桥面板宽度不变的情况下，疲劳车对桥梁产生的横向效应越来越小，因此其腹板间隙处的应力逐渐减小。对比D=6.5，7，7.5m三组数据，通过改变主梁间距引起的腹板间隙处竖向弯曲应力改变不大，而过宽或过窄的主梁间距会对结构的其他方面带来很大影响。因此，调整主梁间距对于腹板空隙竖向弯曲应力的影响不大。

图7不同主梁间距影响（2号横梁）

5结论

本文研究了双主梁组合钢板梁桥的面外变形疲劳问题，通过有限元方法研究了济祁高速4跨连续钢板梁桥腹板空隙面外变形疲劳问题产生的机制，通过分析可知：在车辆荷载的作用下，腹板间隙处各个位置会发生不同程度的面外变形，腹板间隙呈现出双向弯曲的特征。

通过进一步的参数化分析，讨论了腹板间隙大小、腹板厚度、小横梁刚度和主梁间距等构造参数对于腹板间隙外变形疲劳的影响。分析发现，腹板间隙大小，腹板厚度、小横梁刚度等细部构造对于面外变形的影响较大，其中腹板间隙逐渐增大，竖向应力先增大后减小；腹板厚度增大，竖向应力减小；横撑刚度增大，竖向应力减小，但当小横梁刚度超过一定程度时，竖向应力的减小不明显。在合理主梁间距的的范围内，主梁间距对于竖向应力的影响不明显。

参考文献：

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