大型公路钢箱梁正交异性桥面板的可行性分析

来源:用户上传      作者: 李艳丰

　　摘要：大型公路钢箱粱正交异性桥面板工地接头即箱梁节段之间的连接，过去均采用全焊或高强度螺栓连接。各国实桥运营经验表明，这两种连接方式各有不足。所以，随着施工技术的不断进步，钢桥面板工地接头构追细节也再演变。本文介绍了大型，公路钢箱梁正交异性桥面板工地接头构造细节的演变，并通过两个足尺试件的静截和疲劳试验，以及有限元分析，证明正交异性桥面板工地接头采用焊栓连接具有足够的刚度、承载力和耐久性。
　　关键词：钢箱梁　正交异性桥面板　工地接头；试验
　　
　　
　　一、钢桥面板工地接头构造细节的演变历程
　　
　　1、钢桥面板的构造细节
　　对于大跨度悬索桥和斜拉桥，钢箱梁自重约为PC箱梁自重的1/5～1/6.5。正交异性钢板结构桥面板的自重约为钢筋混凝土桥面板或预制预应力混凝土桥面板自重的1/2-1/3。所以，受自重影响很大的大跨度桥梁，正交异性板铜箱梁是非常有利的结构形式。制造时，全桥分成若干节段在工厂组拼，吊装后在桥上进行节段间的工地连接。通常所有纵向角焊缝(纵向肋和纵隔板等)贯通，横隔板与纵向焊缝、纵肋下翼缘相交处切割成弧形缺口与其避开。
　　
　　2、正交异性钢桥面板的疲劳及其工地接头构造细节的改进
　　钢桥面板作为主梁的上翼缘，同时又直接承受车辆的轮载作用。如上所述，钢桥面板是由面板、纵肋和横助三种薄板件焊接而成，在焊缝交叉处设弧形缺口，其构造细节很复杂。当车辆通过时，轮载在各部件上产生的应力，以及在各部件交叉处产生的局部应力和变形也非常复杂，所以钢桥面板的疲劳问题是设计考虑的重点之一。
　　改进后的构造细节既克服了工地接头纵向U形肋嵌补段的仰焊对接，从而改善了疲劳性能，又避免了面板拴接拼接对桥面铺装层的不利影响。
　　
　　二、试件设计和制造
　　
　　根据《美国公路桥梁设计规范》，用于计算正交异性钢桥面板刚度和恒载引起的弯曲效应时，与纵肋共同作用的钢桥面板的有效宽度取纵肋间距。钢箱粱工地接头处桥面板采用单面焊双面成型焊接工艺，面板内侧需贴陶瓷衬垫，因此焊缝下面的U形肋侧壁须开缺口以便衬垫通过。缺口宽度过小不便于施工，宽度过大易导致附近局部应力增加。
　　
　　三、试验的简要概况分析
　　
　　1.加载方案
　　我国《公路桥梁设计通用规范》(JTJ021―89)规定汽车一超20级荷载中5 50kN的重车后轴重力为2*140kN，后轮着地面积为宽*长=600mm*200mm。本试验中加载点的接触面积参考该规范选定，考虑试件为单肋，故将本试验的加载宽度折减为400mm，即介于单轮与双轮宽度之间。试验中以一块宽+长+厚=420ram*200mm*12ram的钢板模拟桥面铺装层，以宽*长*厚=400ram*300mm*50mm的橡胶块模拟车轮进行加载，试验机为MTS300kN电液伺服试验机，加载频率为300次/min。
　　
　　2、测点布置
　　为研究缺口附近面板上的应力分布情况，在缺口附近面板上密集布置测点，其中面板焊缝附近的12个测点贴双向应变片测量纵、根双向应力。除了缺口附近布置测点外，在试件跨中及与试件焊栓接头对称的位置，也相应地布置了测点。
　　
　　3、静载试验
　　两个试件都作静载试验。静载试验分两种加载方案，一种是在焊栓接头处加载，另一种是在跨中加载。根据有限元计算，当试件跨中作用140kN的荷载时，试件最大应力处(跨中u形肋下表面)的应力达到设计容许应力200MPa，试验中考虑到较实际受力情况更不利的状态，将最大静载加到175kN，为实际轴重力的2，5倍，使试件的最大计算应力达到钢材流动极限的75％。加载等级分四级和五级。
　　
　　4、疲劳试验
　　选取试件I进行疲劳试验，疲劳试验加载位置为焊栓接头处，荷载范围40～90kN，循环次数为200万次。根据有限元计算，试件跨中加40kN荷载时，试件跨中u形肋下表面的最大应力与桥梁恒载作用下产生的最大应力相当，当加90kN荷载时，其最大应力与桥梁恒载、活载共同作用下产生的最大应力相当，故选取以上疲劳试验加载范围。
　　
　　四、试验结果分析
　　
　　1.竖向挠度
　　实测各测点在不同荷载等级下的竖向挠度。可以得出以下结论：
　　(1)各测点的挠度与作用荷载的大小基本上呈线性关系。
　　(2)实测值与计算值基本接近，表明实测值基本可信。
　　(3)在跨中作用荷载时，有限元计算结果显示，焊检接头处的挠度比对称于焊栓接头的部位的挠度稍小，这是由于焊栓接头部位u形肋的两侧腹板上通过高强度螺栓连接各外夹了两块拼接板，这相当于将u形助每侧局部的腹板厚度增加了两倍，而且可以与面板上的焊接接头共同工作，从而增加了焊拴接头部位的刚度，尽管陔部位U形肋下面开了一个施工进手孔，但并不影响试件局部的刚度。
　　(4)同样在焊栓接头处加载时，试件I接头处和跨中部位的挠度比试件Ⅱ对应部位的挠度稍大，这与高强度螺拴的拧紧程度有关。但是从有限元计算结果可以看出，两个试件对应部位的挠度完全一致，这说明缺口的大小对试件的刚度没有影响。
　　
　　2、局部应力
　　(1)实例应力基本上随着荷载的增加而呈线性增加，而且基本上与计算值相吻合。
　　(2)在外加荷载作用下，两个试件的大多数对称测点的实测应力基本对称。
　　(3)当在焊栓接头处加载时，将两个试件的实例应力进行比较，就会发现：①试件IU形助圆弧缺口附近面板上的横向应力比试件Ⅱ大，但数值较小，在其他测点，两个试件面板上的实测横向应力基本上一致，在试件中心线与焊栓接头中心线的交点附近，两个试件面板上的横向应力都较大，但也不超过设计容许应力；②试件Ⅱ焊栓接头附近面板上的纵向应力比试件I大，在其他测点，两个试件的实测纵向应力基本上一致；③试件Iu形肋圆弧缺口附近的应力比试件Ⅱ大，但数值均较小。这表明圆弧缺口的大小对试件应力的影响仅限于u形肋圆弧缺口附近，而且u形肋圆弧缺口宽度为50-lOOmm都是安全的。
　　
　　五、有限元分析
　　
　　1、计算模型
　　计算采用4节点板单元，假定焊栓接头处的拼接板与U型助之间不产生滑动，即作为整体共同工作，不考虑桥面铺装层的影响。
　　2、计算结果分析
　　(1)在两种轮载作用下，圆弧缺口处的变形。在u型肋与面板的连接处，u型助产生向外的面外变形。
　　(2)面板下表面焊栓接头线上的纵向应力。在两种轮载作用下，试件Ⅱ的纵向应力比试件I的大，但应力的数值都较小，在对称轮载作用下，试件I和试件Ⅱ的纵向应力最大值分别为14.6MPaSll 20.5MPa，在偏心轮载作用下，试件I和试件Ⅱ的纵向应力最大值分别为25.6MPa和30.9MPa。除了在焊栓接头中心线与u型肋的交线附近有差别外，两个试件纵向应力分布的规律大体一致。
　　(3)对称轮载和偏心轮载作用下两个试件面板下表面焊栓接头中心线上的主应力分布。共同特点是，当轮载靠近和离开圆弧缺口酬’，最火主应力基本上相同，当轮载离开圆弧缺口时，最小主应力比靠近圆弧缺口时稍大；当两种轮载正好压在圆弧缺口上面时，两个试件的最大主应力达到极值，且数值基本上相同。
　　正交异性钢桥面板工地接头中面板采用垒熔透对接焊、u形肋在两侧肋板采用摩擦型高强度螺栓拼接后，通过两个足尺试件的静载和疲劳试验以及有限元分析，结果表明u形肋圆弧缺口宽度分别为50mmSNl00mm的两种构造细节均有可靠的连接刚度，实测局部应力部小于设计容许应力，疲劳强度也满足规范要求，因此，两种构造细节都有可靠的工作性能。在满足施工要求的条件下，建议u形肋圆弧缺口不要过大，实际结构上U形助圆弧缺口宽度为70mm。

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