城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法.pdf
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1、68MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通工程实践工程实践城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板 疲劳应力计算组合系数法段 熹1,马兴龙2,叶华文3,潘威洲3,徐 勋3(1.内江师范学院建筑工程学院,四川内江 641112;2.四川省公路院工程监理有限公司,四川成都610000;3.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)基金项目:国家自然科学基金(51208430,52278219)第一作者:段熹,男,工程师;通信作者:马兴龙,男,高级工程师引用格式:段熹,马兴龙,叶华文,等.城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法J.现代城市轨道交通,2
2、024(04):68-75.DUAN Xi,MA Xinglong,YE Huawen et al.The combinatorial coefficient method of fatigue stress calculations for open-ribbed orthotropic anisotropic steel bridge panels of urban rail transit steel box girdersJ.Modern Urban Transit,2024(04):68-75.DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.04.011摘 要:为简化城
3、轨交通钢箱梁桥面板疲劳性能评估,基于轨下开口肋正交异性钢桥面板典型构造,采用有限元方法提出其疲劳应力计算组合系数法。首先,建立重庆嘉华轨道专用桥桥面构造有限元模型,确定车辆疲劳荷载纵、横向影响范围及最不利加载位置,并分析减震垫刚度、轨下纵梁刚度和轨枕板形式等关键参数对开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力的影响。然后,根据工程实际,确定城轨交通桥正交异性钢桥面板基准结构及各设计参数变化范围,基于上述有限元模型对顶板厚度,板肋厚度和间距,横隔板间距、高度和厚度及开孔半径进行分析,得到各参数影响系数并提出轨下开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法。最后,用算例验证该方法的合理性和可靠性,计算误差在1
4、0%以内,可为疲劳设计提供参考。关键词:城市轨道交通;桥梁;组合系数法;有限元分析;正交异性钢桥面板;开口肋;疲劳应力 中图分类号:U241 研究背景正交异性钢桥面板由纵、横肋及顶板等主要构件组成,直接承受车辆荷载,在纵、横向均具有较大刚度,满足车辆行驶需求,因此不论是在公路桥梁,还是在城市轨道交通(以下简称“城轨”)桥梁或高速铁路桥梁上,均得到广泛应用。由于构造复杂,钢桥面构件刚度分布不均匀,构件间焊接缺陷难以控制,加之车辆荷载反复作用,导致正交异性钢桥面板普遍出现疲劳开裂问题,尤以采用 U 肋的正交异性钢桥面板较为突出,严重影响桥梁正常使用寿命和行车安全1-6。采用开口肋的正交异性钢桥面板
5、相较于闭口肋(U肋等)存在刚度不足问题,故在实桥设计中,开口肋正交异性钢桥面板应用远少于闭口肋。由于实际应用较少,相关研究亦较少。公路桥方面,郭凯等7基于楚大高速相关公路桥做开口肋正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究,发现增加桥面板厚度或桥面现浇混凝土层厚度可有效提升正交异性钢桥面板疲劳性能。HE Xinyi 等8基于张靖皋长江大桥初设参数进行开口肋正交异性钢桥面板缩尺压屈试验,验证开口肋桥面板屈曲强度。虽然传统开口肋正交异性钢桥面板在局部轮载作用下,峰值位移、应力表现等不如闭口肋,但如果采用轻型69 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT工程实践工程实践城轨钢箱梁
6、开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法组合桥面板形式,则可取得更优异的横向荷载分布能力和疲劳性能,经济效益更加显著,应用前景广阔9。除在公路弯桥和组合桥面应用外,开口肋正交异性钢桥面板亦被用于城轨桥梁。叶华文等10基于重庆千厮门大桥与东水门大桥设计参数进行仿真分析和疲劳试验,发现开口肋正交异性钢桥面板加劲肋和桥面板厚度对构造细节疲劳性能影响很小,横隔板厚度影响很大,认为疲劳设计应考虑各板厚度合理匹配问题。继千厮门大桥和东水门大桥,重庆后续建成的鹅公岩轨道大桥、嘉华轨道专用桥以及红岩村大桥的轨道部分均采用开口肋正交异性钢桥面板,相关情况如表 1 所示。轨道桥加载线路确定,轨下设置倒 T 肋
7、(或箱梁腹板)可保证桥面刚度需求。相对于闭口肋,开口肋双面焊更简便,焊接质量更易控制,因此开口肋正交异性钢桥面板在轨道桥中得到多次应用,值得重点关注。对正交异性钢桥面板进行疲劳设计时,传统解析法将桥面分为主梁体系、桥面体系和盖板体系,分别计算 3 个体系的应力后叠加求解,过程繁琐,而采用有限元分析或试验实测的方法则需投入大量人力物力。为简化计算,吴臻旺11根据顶板厚度、主梁高度、横隔板间距及吊杆纵向间距 4 个参数对结构进行研究,提出公路悬索桥正交异性钢桥面板局部应力简化计算方法。叶华文基于桥面板厚度、腹板间距、横隔板高度和间距、轨下纵梁高度、疲劳细节位置 6 个参数,提出城轨钢箱梁 U 肋正
8、交异性钢桥面板疲劳应力正交化计算方法。基于上述研究成果,考虑开口肋正交异性钢桥面板应用前景,本文以典型城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板及轨枕构造(嘉华轨道专用桥)为例,采用 ANSYS有限元软件建立大桥跨中钢箱梁节段有限元模型,分析不同参数对疲劳应力影响,提出疲劳应力计算组合系数法,并用算例验证该方法合理性和可靠性,可为疲劳设计提供参考。2 正交异性钢桥面板典型构造重庆嘉华轨道专用桥钢箱梁横截面如图 1a 所示,横隔板间距为 4 m,厚度 12 mm;箱梁顶板厚度 18 mm,腹板厚度 20 mm,底板厚度 30 mm,顶板板肋 170 mm 16 mm,倒 T 肋 780 mm 400 mm
9、,腹板厚度 14 mm,箱梁腹板板肋 240 mm16 mm,底板板肋 200 mm 20 mm。轨枕板构造如图 1b 所示,轨枕板厚度 261 mm,宽度 2.3 m,轨枕板与钢箱梁之间满铺 30 mm 厚的橡胶减震垫。3 荷载分析3.1 城轨车辆荷载GB/T 51234-2017城市轨道交通桥梁设计规范12中的疲劳设计荷载分为 A 型车和 B 型车,单轴车轮荷载分别为 160 kN 和 140 kN,各轴间距如图 2 所示。车辆荷载传力途径为车辆钢轨轨枕板橡胶垫层钢箱梁。3.2 有限元模型采用大型通用有限元软件 ANSYS 建立主跨跨中16 m 钢箱梁半幅模型,如图 3 所示。中线采用对称
10、约束,两边节点简支约束。桥面铺装和轨枕板采用实体单元 solid65,材料为 C40,弹性模量 32 500 MPa,泊松比表 1 近年中国桥梁开口肋正交异性钢桥面板的构造参数取值mm建成年份桥名类型顶板厚开口肋横隔板形状厚度高度横向间距厚度间距2013成都二环杉板桥立交 B 匝道公路桥16倒 T(120266)12266300 375123 0002014东水门大桥公铁两用16/24/32I 型20/24240/280400/440164 0002015千厮门大桥公铁两用16/24I 型1620035012/181 600 2 6502018洞庭湖二桥公路桥12L 型(54260)12260
11、500102 8002019鹅公岩轨道大桥铁路桥32 44I 型25 32 260 320475 60010 242 5002020湘潭昭华大桥公路桥12I 型1226045010/12/162 7002022楚大高速公路桥公路桥16I 型16170350 400122 0002022红岩村嘉陵江大桥公铁两用16I 型16200350/37512/163 7502022嘉华轨道专用桥铁路桥18/26I 型16/20215/223309 450162 000在建张靖皋长江大桥公路桥16L 型(72300)8300300121 600/3 200在建武深高速深渡水立交 E 匝道公路桥16/20I
12、型1416030010/121 50070MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通工程实践工程实践城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法图 1 重庆嘉华轨道专用桥钢箱梁横截面、轨枕板构造及疲劳细节位置(单位:mm)b轨枕板构造c疲劳细节位置a钢箱梁横截面图 2 城轨车辆轴重分布bB 型车荷载aA 型车荷载图 3 有限元模型(单位:mm)250 cm1 320 cm250 cm 460 cm 250 cm1 320 cm250 cm160 kN160 kN160 kN160 kN 160 kN160 kN160 kN 160 kN230 cm1 0
13、30 cm230 cm 462 cm 230 cm1 030 cm230 cm140 kN 140 kN140 kN140 kN 140 kN 140 kN140 kN 140 kN11a全场模型b横隔板疲劳细节部位c单元划分细节0.166 7。钢箱梁采用 shell63 单元,材料为 Q345q,弹性模量 206 GPa,泊松比 0.3。经研究表明轨枕板和钢梁之间减震垫刚度对疲劳细节影响不大,因此轨枕板与顶板直接固结。开孔附近的细节采用映射划分,单元边长为 1 mm,其余位置采用自由划分,尺寸为 50 mm。施加荷载时将集中荷载等效为面荷载施加到节点群上。3.3 针对疲劳应力的车辆荷载影响线
14、基于表面外推热点应力法确定开口肋疲劳细节位置,如图 4 所示,疲劳细节 1 取距离横隔板与顶板焊缝1 个顶板厚度的横隔板位置;疲劳细节 2 取各距 1 个顶板厚度和 1 个板肋厚度的横隔板位置;疲劳细节 3 取距离顶板和横隔板连接焊缝 1 倍顶板厚度的顶板最大主拉71 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT工程实践工程实践城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法应力处;疲劳细节 4 取距离板肋与横隔板焊缝 1 个板肋厚度的横隔板位置;疲劳细节 5 取距离 1 倍横隔板厚度的横隔板开口最大主拉应力处。经计算城轨 A 型车对疲劳应力影响较大。为确定车辆
15、荷载影响范围,纵向上将城轨 A 型车单组车轮荷载 160 kN 加载到轨枕板下方的钢箱梁上,从梁的一端移动到另一端,取横隔板 3 作疲劳应力影响线,如图 5a所示。由于纵向移动时各疲劳细节变化规律一致,故以应力最大的疲劳细节 3 为例。横桥向将城轨 A 型车单个车轮荷载 80 kN 加载到待研究疲劳细节位置,左右移动 1 个轨枕板的距离,作疲劳细节研究位置处的疲劳应力影响线,如图 5b 所示。图 5a 表明钢箱梁受力时具有相邻荷载有效性,横隔板节间内各截面主要受本节间内荷载影响,横隔板截面处主要受相邻 2 节间荷载影响,钢箱梁取节段模型分析有效。图 5b 结果表明荷载横向移动时对所研究的疲劳细
16、节位置满足“荷载对中应力最大”,且荷载的影响范围在 2 个肋节间内。3.4 城轨车辆荷载最不利加载位置根据上述影响线的变化规律及节段模型的尺寸,确定出城轨 A 型车最不利加载方式如图 6 所示。4 减震垫、轨下纵梁和轨枕板对疲劳应力影响4.1 减震垫刚度影响城轨桥梁在钢梁与轨枕板之间设置 1 层减震垫,以达到行车安全、舒适的目的。为研究减震垫刚度对疲劳应力影响,根据工程数据统计选取 2 8 MPa 的刚度变化范围进行分析,结果表明减震垫刚度对疲劳应力影响疲劳细节 3疲劳细节 2疲劳细节 1疲劳细节 4疲劳细节 5图 4 开口肋疲劳细节示意图图 5 纵横向移动荷载布置及影响线b 横向移动荷载影响
17、线a 纵向移动荷载影响线-8-6-4-20246802468/MPax/m 疲劳细节12横隔板 3450 xx/m 0 x-1.0-0.50.00.51.00510152025 疲劳细节1 疲劳细节2 疲劳细节3 疲劳细节4 疲劳细节5/MPa160 kN160 kN160 kN2.5 m4.6 m12横隔板 345图 6 最不利加载位置不大,可忽略不计,如图 7 所示。4.2 轨下纵梁高度影响轨下纵梁一般布置于钢轨正下方以提高钢箱梁刚度,降低车辆荷载局部效应,为研究轨下纵梁刚度的影响,取不同的纵梁高度进行研究,如图 8 所示。结果表明纵梁刚度对疲劳细节 5 的应力影响较大,对疲劳细节注:为疲
18、劳应力。72MODERN URBAN TRANSIT 4/2024 现代城市轨道交通工程实践工程实践城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法/MPa2345678051015202530减震垫刚度/Nmm-2疲劳细节1疲劳细节2疲劳细节3疲劳细节4疲劳细节5图 7 减震垫刚度对疲劳应力的影响/MPa0.20.30.40.50.60.70.805101520253035轨下纵梁高度/m疲劳细节1疲劳细节2疲劳细节3疲劳细节4疲劳细节5图 8 轨下纵梁高度对疲劳应力的影响1 4 的应力影响较小。4.3 轨枕板形式影响对整体式混凝土枕和等间距混凝土枕进行疲劳应力比较,如表 2 所示。结
19、果表明整体式混凝土枕疲劳应力略低于等间距混凝土枕,传力更均匀,故本文研究均采用整体式混凝土枕。表 2 2 种轨枕板形式对疲劳应力的影响MPa轨枕形式疲劳细节 1疲劳细节 2疲劳细节 3疲劳细节 4疲劳细节 5整体式混凝土枕10.2411.254.125.3624.8等间距混凝土枕12.3112.744.596.3129.15 桥面疲劳应力参数分析及组合系数公式5.1 基准模型根据工程数据统计,确定出各设计参数变化范围及城轨桥梁正交异性钢桥面板基准结构如图 9 所示。纵向上设置 5 道横隔板,其基准间距为 3 m,高 3 m,厚度12 mm;横向上板肋高 200 mm,厚度 20 mm,板肋间距
20、300 mm,轨下纵梁高 800 mm,翼缘板宽 280 mm,顶板厚度 16 mm;轨枕板按嘉华轨道专用桥减震方案图纸,厚度261 mm,宽度 2.3 m,减震垫厚度 30 mm;双向轨道,中线间距 4.5 m。荷载按最不利布载方式施加城轨 A 型车荷载。5.2 组合系数公式开口肋正交异性钢桥面板基准模型的参数化分析表明,各疲劳应力与各参数之间存在线性关系,但各参数对疲劳应力的影响程度有差别,引入各参数的影响系数,采用统一的计算公式(1)可计算一般开口肋正交异性钢桥面板模型关键疲劳细节 1 5 位置处的主拉应力。i=0i 1 2 3 4 5 6 7(1)式(1)中,i为设计结构疲劳细节 i
21、处应力;i 取值为 1 5;1为顶板厚度系数;2为板肋厚度系数;3为板肋间距系数;4为横隔板间距系数;5为横隔板高度系数;6为横隔板厚度系数;7为开孔半径系数;0i为基准结构疲劳细节 i 处应力,各影响系数可线性内插。5.3 参数分析经计算,城轨桥梁开口肋正交异性钢桥面板基准结构各疲劳细节应力值如表 3所示。对基准结构单一参数调整,每次计算所得应力与相应基准应力的比值即为对应参数影响系数,如图 10 所示。图 9 正交异性钢桥面板基准模型截面(单位:mm)73 现代城市轨道交通4/2024 MODERN URBAN TRANSIT工程实践工程实践14151617180.850.900.951.
22、001.051.101.151.20 疲劳细节 1 疲劳细节 2 疲劳细节 3 疲劳细节 4 疲劳细节 5顶板厚度/mm116182022240.70.80.91.01.11.21.3 疲劳细节 1 疲劳细节 2 疲劳细节 3 疲劳细节 4 疲劳细节 5板肋厚度/mm20.880.900.920.940.980.960.001.021.041.067疲劳细节 1疲劳细节 2疲劳细节 3疲劳细节 4疲劳细节 531323334363735开孔半径/mm2002503003504000.60.81.01.21.41.6 疲劳细节 1 疲劳细节 2 疲劳细节 3 疲劳细节 4 疲劳细节 5板肋间距/
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