钢桥腹板间隙面外变形疲劳应力分析
正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分类及其原因分析
用 的 汽 车 活 载 ， 别 是 超 载 车 辆 ， 因是 构 造 细 节本 身 （ 特 内 包括 制 造 因素 的 影 响 ） 内外 因 的共 同作 用 使 得 在 关键 构 造 ，
细 节 处 产 生较 大 的循 环 应 力 集 中 ， 而 萌 生 裂 纹 。 从 关键 词 ： 交异 性 铜 桥 面 板 ； 劳 裂纹 ； 类 ； 因分 析 正 疲 分 原
ｔ ｅ ｔｃ ｌｓ ｉｆ ｎ ｒ ｏ ｅ ａ ｅ ａ ｃ ． Ｓｏ ｆ ｒ，ｔ ｏ ａ ｅ ａ ｈ ａ ｇｅ ｔｎｕｍ ｂ ｒｏｆｃ ａ ｋｓ Ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ ｈｅ ｖ ｒｉａ ｔｆｅ ｅ ｆｗ ｂ ｐｌｔ ｎｄ ｄｅ ｋ ａ ｈｅ ｆ ｕｒｐｌｃ ｓ ｈ ｖｅｔ ｅ ｌ ｒ ｓ ｅ ｒｃ ． ｅ ｒ ａ ｏｎ ｏ ａ ｉ ｅ ｃ ａ ｋ ｉ ｌ ｅ ｘ ｅ ｎ ｌ ａｕ ｅ ｆｆ ｔｇｕ ｒ ｃ ｓ ｎｃｕｄ ｅ ｔ ｒ ａ ｃ ｓ ｓ， ｎ ｍ ｅ ｙ ｒ ｐｅ ｔ ｄ ｖｅ ｃ ｅ ｏ ｄｓ， ｅ ｐ ｃａ ｌ ｏ ｅ ｌ ａ ｖ ｈｉｌ ａｎ ｉ ｅ ｎ ｌ ａ ｌ ｅ ａ ｅ ｈｉｌ ｌａ ｓ ｅ ｉｌｙ ｖ ｒｏ ｄ ｅ ｃｅ， ｄ ｎｔｒ ａ ｃｕｅ ａ ｓ ｓ，ｔ ｔｉ ｓ ｒ ｃ ｕｒ ｌ ｅ ａｌ ｉ ｃｕｄｉ ｆ ｂｒｃ ｔｏｎ ｆ ｃ ｏｒ Ｂｅ ａ ｅ ｏｆｔ ｏｍ ｂｉ ｄ ｃ ｉｎ ｏｆｔ ｗ ｏ ｋｉ ｓ ｆ ｈａ ｓ ｔ ｕ ｔ ａ ｄ ｔ ｉ， ｎ ｌ ｎｇ ａ ｉａ ｉ ａ ｔ ． ｃ ｕｓ ｈｅ ｃ ｎｅ ａ ｔｏ ｈｅ ｔ ｎｄ ｏ ｒａ ｏ ｅ ｓ ｎｓ，ｃ ｃｅ ｓ ｒ ｓ ｏ ｅ ｒ ｔｏ ｃ ｕｒ ｙ ｌ ｔ ｅ ｓ ｃ ｎｃ ｎｔ ａ ｉｎ ｏ ｃ ｓ，ｔ ｅ ｅ ｎｉｉｔ ｓ ｆ ｔｇｕ ｒ ｃ ｈ ｒ ｂｙ ｉ ｔａ ｅ ａ ｉ ｅ ｃ ａ ｋ，ｉ ｏ ｅ ｃ ｉｉａ ｔｕｃ ｕ ａｌｄｅａ ｌ． ｎ ｓ ｍ ｒｔｃ ｌｓｒ ｔ ｒ ｔ ｉｓ ＫＥＹ Ｏ ＲＤＳ： ｔ ｏｔｏ ｃ ｓ ｅ １ｄｅ ｋ； ｆ ｉ ｅ ｃ ａ ｋｓ；ｃａ ｓｆｃ ｔｏｎ；ｒ ａ ｏ Ｗ ｏｒ ｈ ｒ ｐｉ ｔ ｅ ｃ ａｔｇｕ ｒ ｃ ｌｓ ｉｉａ ｉ ｅ ｓ ｎｓ
运用有限元法分析钢桥面受力疲劳破坏机理
运用有限元法分析钢桥面受力疲劳破坏机理摘要本文以南京长江三桥为实例，运用新的有限元法对大跨径钢桥面进行受力分析，验证了钢桥面铺装层的最大横向拉应力出现在横隔板附近的梯形加劲肋肋顶和纵隔板顶区域，最大纵向拉应力出现在横隔板顶部的结论。
因此，横隔板附近容易同时出现纵向和横向裂缝，纵隔板顶部易产生纵向裂缝，从而导致桥面疲劳破坏，为下一步开展桥面铺装层疲劳性能试验及影响因素研究奠定了基础。
关键词钢桥面铺装，有限元，应力正文1.1课题的研究背景随着我国高等级公路大规模兴建的同时，大跨径桥梁也进入建设高潮。
其中一个共同的特点是，这些大跨径桥梁的主桥普遍采用了钢箱梁结构，这与以往采用的水泥混凝土桥梁结构有着很大的不同。
通过调查，近些年来，钢桥面相继出现鼓包、开裂尤其是H 型结构性开裂病害（沿纵、横向加劲肋顶部开裂）等疲劳破坏，给桥梁运营安全带来了极大的隐患。
这就需要我们结合钢桥面铺装层的特点，对桥面疲劳破坏的机理进行研究分析，进而采取对应的控制措施。
1.2钢桥面受力机理与水泥混凝土桥面铺装不同，钢桥面铺装层直接铺设在正交异性钢桥面上，由于正交异性钢桥面板由钢面板、纵肋、横隔板、纵隔板组成，因其受力作用复杂，铺装层铺筑在正交异性板上，共同承受外载作用，因此，在分析铺装层的受力变形时，需将铺装层与正交异性板结构作为一个整体进行分析。
2. 南京长江三桥桥面铺装有限元受力分析钢桥面铺装层由于钢板加劲肋的作用，使其在加劲肋侧肋顶部附近产生明显的应力集中现象，用梁、板等理论都不能准确地计算出铺装层内部的最大控制应力值以及力学特性，南京长江三桥是我国首次采用环氧铺装的大型钢桥，至今使用时间最长，出现一定程度的早期损坏，本节从南京长江三桥出发，用有限元研究钢桥面的受力特点。
图2-1 正交异性钢桥面板2.1铺装层内部的最大拉应力（拉应变）铺装层开裂破坏是钢桥面铺装常见的一种破坏类型，铺装层最大拉应力与拉应变是控制铺装层开裂破坏的重要设计指标，分析其分布变化规律可以了解铺装层开裂破坏的特性以采取有效的防范措施。
钢桥面板U肋与横隔板焊缝疲劳特性分析
钢桥面板U肋与横隔板焊缝疲劳特性分析正交异性钢桥面板广泛应用于中大跨度桥梁结构,但这种桥面板结构构造复杂,焊接易造成应力集中,在局部车轮荷载的往复作用下,构造细节处易疲劳开裂。
本文以最易萌生和开展疲劳裂纹的细节—U肋与横隔板连接处为研究对象,对正交异性钢桥面板疲劳开裂问题进行了深入研究。
主要工作和结论如下:(1)对U肋与横隔板连接处疲劳裂纹失效现象进行了分析,分析表明:影响关注细节疲劳性能的变形作用主要包括横隔板面外及面内变形以及U肋的畸变。
(2)以武汉青山长江大桥疲劳试验研究项目为依托,建立有限元模型,沿横向和纵向变换轮载加载位置,分析轮载作用下U肋与横隔板连接处应力分布与组成情况。
分析结果表明:U肋一侧腹板正上方为横向最不利位置,关注细节处的应力对轮载的横向位置较为敏感。
横隔板以面内受力为主,面外弯曲作用很小,而U肋腹板同时受面内外变形及畸变的共同作用。
(3)调研表明U肋与横隔板连接处主要存在四类常见裂纹,从常见疲劳裂纹角度出发,确定了各破坏模式下决定裂纹萌生和扩展的控制应力,并对各控制应力做了相应的对比分析。
分析结果表明:对于开孔自由边的C1裂纹,控制应力为孔自由边的切向应力,对于U肋与横隔板焊缝端部的C2和C3裂纹,控制应力分别为U肋腹板外表面的竖向拉应力和纵向拉应力,前者在数值上为后者的2~3.9倍,C2裂纹出现的可能性大于C3裂纹。
(4)针对U肋与横隔板连接处的应力组成情况,以常见裂纹控制应力值为对比指标,对关注细节处构造做了相应的优化和分析,优化措施包括增设U肋内加劲构造和采用横隔板不同开孔形式。
分析结果表明:内部加劲肋构造形式优化效果最佳,而6类开孔形式中,孔型4疲劳性能较好。
文中还研究了顶板厚度、横隔板厚度、U肋厚度对U肋与横隔板连接处疲劳性能的影响,并推荐了相对较优的板件厚度。
钢桥腹板缝隙区域疲劳应力敏感性有限元分析探究
文章编号：1001－7291（2020）03－0125－04文献标识码：B钢桥腹板缝隙区域疲劳应力敏感性有限元分析探究杨晓红（新疆交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）摘要：有限元模拟分析简述；腹板缝隙区域应力分布一般规律；腹板缝隙区域平面形变影响要素敏感性分析。
参考典型腹板钢桥的工程实用数据，基于敏感性分析法，借助高可靠性的An-sys有限元工程模拟分析系统，重点围绕最大范式等效应力、最大平面移位量等重要参数，对钢桥腹板缝隙区域疲劳应力敏感性状态开展有限元数理模拟计算分析，探究钢桥腹板缝隙部位的受力和形变情况，助力建设安全牢固的腹板钢桥工程。
关键词：钢桥腹板；缝隙区域；疲劳应力；敏感性；有限元；模拟计算；分析探究1有限元模拟分析简述ANSYS软件是当前颇受业界人士认可与青睐的一款有限元分析（FEA）软件，同时也是国内外进展最快的计算机辅助设计工程（CAE）软件。
由于它能与国内当前使用的大部分计算机辅助设计（CAD）软件相兼容，既可轻松完成数据交换，还提高了工作效率。
它是集多重功能优势为一身的大规模有限元分析软件，凭借强大的电场、磁场等各场景的分析功能，实现了在国防军事、铁路、岩土工程等多领域的规模化普及与广泛使用。
ANSYS凭借操作简单、功能强大等显著优势受到了全球各国使用者的青睐与欢迎。
从它诞生之日起到现在，在FEA中的榜首位置就一直没有被撼动过。
ANSYSWorkbench是近期推出的一款协作仿真条件，同样它也由美国知名厂商ANSYS独自研发而成。
通过搭建模拟的产品开发环境，形成了一套融合多种主流技术方案的完善CAE技术仿真系统环境。
ANSYS-Workbench的适用范围非常广，可对压电、动力学、声场等进行全面且可靠的有限元分析。
出于腹板缝隙岀平面形变影响要素的综合考量，决定对静力单元进行分析。
从实际出发，钢桥腹板缝隙部位采用的材料具有明显的线弹塑性，因此在构建相匹配的有限元模型时，不仅要保证应力与应变间的关系满足胡克定律，还要处于线性阶段。
公路钢桥腹板出平面疲劳细节分析
公路钢桥腹板出平面疲劳细节分析近几年钢桥的修建数量呈爆发性增长, 钢桥因疲劳破坏造成的人员伤亡和经济损失引起了桥梁界的广泛重视。
我国相关的桥梁标准中对疲劳细节的分类仍不够精确,很多新型的构造形式仍没有具体的疲劳验算模型, 缺少实验数据支撑,所以对钢桥中各个疲劳细节的研究具有很重大的意义。
钢桥发生疲劳破坏主要由承受的荷载和面外变形造成, 荷载疲劳领域现在国内外研究数据较丰富, 具有成熟的疲劳设计体系; 而面外变形造成的疲劳破坏那么因为与不同构造的疲劳细节受力形式相关, 需要对钢桥中各个部位进行精确的疲劳应力研究才能对其进行分类, 所以需要大量研究数据作为依据。
因为考虑到翼缘板受较大拉力易产生横向裂纹, 故在横向连接板与翼缘处留有一小间隙区域, 而本文研究的腹板出平面疲劳细节正是位于钢桥主梁腹板与横向连接板端部的小间隙区域位置,在该区域产生的面外变形在实际的钢桥设计中, 不能做到完全防止, 且产生的疲劳裂纹局部位于主梁腹板上, 直接影响钢桥整体的疲劳强度。
本文首先对钢桥腹板出平面疲劳细节进行描述, 分析了小间隙区域在实际中承受随机车辆荷载作用时,其应力变化的形式以及疲劳裂纹的延伸走向, 然后介绍了本文研究涉及的荷载谱与应力谱、雨流计数法、疲劳强度曲线和疲劳损伤累积准那么等理论知识。
在总结国内外相关的疲劳荷载车模型后, 针对西南地区的车辆荷载特点, 利用疲劳损伤累积准那么推出一个等效损伤后的简化标准疲劳车模型。
通过有限元计算结果发现越靠近高应力点区域, 应力变化梯度越大, 沿主梁纵向分析各点有限元应力数据, 发现纵向应力变化范围大于竖向应力变化范围, 说明高应力点附近U 型裂缝延伸范围大于水平裂缝。
在对钢桥的腹板出平面疲劳细节进行优化分析中，采用大型有限元软件ANSYSg拟某小型钢桥进行计算，讨论了横梁的设置、腹板与加劲肋连接处不设置倒角、主梁下翼缘与加劲肋焊接、腹板高度、腹板厚度、小间隙高度、加劲肋厚度、加劲肋宽度等细部构造对腹板间隙处面外变形疲劳性能的影响效果。
钢桥疲劳分析
2007.02
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钢桥 疲劳分析
8. 平均应力效应（Mean Stress Effect）
Su: Ultimate tensile strength
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Se: Fully reversed fatigue strength
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钢桥 疲劳分析
3. S-N 曲线
抗疲劳的特性可以用S-N曲线来代表。S-N曲线用钢材在常幅应力下的重复次 数来表示。 抗疲劳破坏的特性直接与应力幅值相关。 画出应力幅S与疲劳重复次数Nf的相关曲线叫做S-N曲线。 施加荷载是常幅荷载。
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加载循环次数
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在本案例中，考虑了汽车荷载匀速通过桥面一次的加载， 计算损伤度。用户可以根据实际要考虑的时间区段内， 模型车通过的次数，循环加载计算该时间段内的损伤度。
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汽车荷载是按照BS5400规范中的320kN、4轴标准疲劳车加载的。并且，按照BS5400规范要求， 单车道加载。加载位置，考虑到正交异性钢桥面板疲劳薄弱处多为桥面板与横隔板连接处、U型肋 与横隔板连接处等，本案例的加载位置选择跨中横隔板弯矩最大的影响线加载。
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钢桥疲劳分析
Stress 0
Typical curve for concrete steel reinforcement
Rod
Stress range
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S-N 曲线
钢桥疲劳分析
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2. 分析步骤
钢桥疲劳分析
1) 首先做结构静力分析确定最大和最小应力的绝对值或者计算von Mises 应力，从而获得应力幅。 2) 当作用应力为变幅时，使用可将各应力幅组成起来的雨流计数法(Rain flow counting)和S-N曲 线计算。
Fatigue damage = 0.9 means: 1,000 load cycles can be applied before fatigue failure.
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5. 疲劳分析
钢桥疲劳分析
BS 5400中，对钢桥不同构造细节分为9个等级。在本案例中，主要分析U型肋与横隔板相接处的疲
劳效应。该部位为BS5400规范c细节分级。将对应等级参数从表格中选取带入S-N曲线方程式中， 得到该分级的疲劳曲线。
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钢桥的疲劳分析范文
钢桥的疲劳分析范文引言：钢桥是一种重要的交通基础设施，承担着车辆和行人的通行。
长期以来，由于交通流量的增加和重载车辆的增多，钢桥疲劳已成为桥梁设计和维护的重要问题。
本文将对钢桥的疲劳问题进行分析，探讨其原因、影响因素以及相应的解决方案。
一、疲劳问题的原因1.动力因素：钢桥在承受车辆荷载的同时还要面对自身的自重和震动荷载。
长期以来，车辆荷载和震动荷载的频繁作用会导致钢桥的材料疲劳，进而导致桥梁的损坏和断裂。
2.环境因素：钢桥承受了来自自然环境的多种因素的影响，如气候变化、温度差异和湿度等。
这些因素会导致桥梁材料的膨胀和收缩，从而产生内部应变，加速钢桥的疲劳破坏。
3.施工因素：钢桥的施工质量将直接影响其使用寿命和疲劳性能。
如果施工质量不达标，如焊接不牢固、连接部位强度不足等，将使钢桥易受疲劳破坏。
二、疲劳破坏的影响因素1.轴重：车辆荷载是引起桥梁疲劳破坏最主要的因素之一、大型重型车辆以及超限荷载的频繁通行将极大地加速钢桥的疲劳损伤。
2.荷载频率：荷载频率指的是钢桥受到车辆荷载的作用频率。
频繁通行以及车流量大的地区会导致高频率的荷载作用，进而加速疲劳破坏的发生。
3.震动荷载：震动荷载是指由于地震、强风和行人等外来因素引起的钢桥振动荷载。
频繁的震动荷载会对钢桥产生影响，从而影响其疲劳性能。
4.桥梁结构设计：桥梁的结构设计将直接影响其抗疲劳能力。
合理的结构设计可以减少桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。
三、疲劳分析和解决方案1.疲劳分析方法：采用有限元方法对钢桥进行疲劳分析，模拟不同荷载条件下的桥梁应力分布。
通过数值计算和模拟试验，对桥梁的疲劳性能进行评估，找出潜在的疲劳破坏部位。
2.组织检测和监测：通过常规的检测方法，如无损检测和应力监测，定期对钢桥进行结构健康检测。
及时发现和修补疲劳破坏的部位，可以提高钢桥的抗疲劳性能。
3.结构优化：通过改进桥梁结构的材料和几何形状，降低桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。
采用较短的跨度和更好的材料可以有效地提高桥梁的抗疲劳能力。
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第27卷 第1期2010年3月建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil EngineeringVol.27 No.1Mar.2010文章编号:167322049(2010)0120065208收稿日期:2010201210基金项目:高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金项目(2007B49)作者简介:王春生(19722),男,黑龙江绥化人,教授,工学博士,E 2mail :wcs2000wcs @ 。
钢桥腹板间隙面外变形疲劳应力分析王春生,成 锋(长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室,陕西西安 710064)摘要:采用ANS YS 大型通用有限元软件对3跨连续钢板梁桥进行了三维数值模拟,研究了腹板间隙面外变形所产生的应力状态,并对腹板间隙大小、腹板厚度、横撑类型、横撑刚度等关键结构参数进行了分析;根据某高速实际车辆动态称重实测结果,分析了超载车辆作用下腹板间隙处的面外变形应力。
结果表明:腹板间隙大小和腹板厚度均对面外变形应力影响较大;车辆超载时,腹板间隙处极易萌生疲劳裂纹。
关键词:钢桥;腹板间隙;面外变形;疲劳应力;超载中图分类号:U441.4 文献标志码:AOut 2of 2plane Distortional F atigue Stress Analysis atWeb G aps of Steel BridgesWAN G Chun 2sheng ,CH EN G Feng(Key Laboratory for Bridge and Tunnel of Shaanxi Province ,Chang πan University ,Xi πan 710064,Shaanxi ,China )Abstract :Three 2dimensional numerical simulation of a t hree 2span continuous steel plate girder bridge was established to st udy t he complex st ress state caused by t he out 2of 2distortion in web 2gap using finite element software ANS YS.Meanwhile ,some key st ruct ural parameters ,such as web gap size ,web t hickness ,cross 2bracing type and cross f rame stiff ness were analyzed in t he numerical models.The measured web gap sizes and web t hickness types gave t he great affection on t he out 2of 2plane distortion fatigue st resses at web gap s.The result s show t hat t he influences of web gap s and cross frame on out 2of 2plane distortion are great.Fatigue cracking occurs easily at web gap s under overload.K ey w ords :steel bridge ;web gap ;out 2of 2plane distortion ;fatigue st ress ;overload0引 言如何确保钢桥的疲劳使用安全一直是桥梁工程界关注的重要研究课题。
国外早期建造的钢桥,由于当时焊接施工水平不高,设计者对疲劳的认识和考虑亦不充分,导致钢桥疲劳开裂问题十分严重[1]。
1982年美国ASCE 发表的研究报告中指出80%～90%的钢结构破坏与疲劳断裂有关[2]。
钢桥的疲劳可分为荷载疲劳和面外变形疲劳,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,这已被工程师所熟知;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。
已有研究表明,钢板梁桥、钢箱梁桥、钢框架桥墩等都存在大量面外变形引起的疲劳裂纹。
Con 2nor 等[3]的最新研究结果表明钢桥中的疲劳裂纹90%为面外变形疲劳裂纹。
钢桥中出现如此大量的面外变形疲劳裂纹,主要原因是钢桥设计时一般只考虑面内变形与应力,并未考虑腹板间隙处面外变形导致的局部数值很大的二次弯曲拉应力。
笔者以1座3跨连续钢板梁桥为例,研究了车辆荷载作用下腹板间隙处面外变形疲劳应力状态,并探讨了公路超载车辆荷载作用下面外变形疲劳应力的特征。
1研究现状在多主梁钢桥中,荷载需通过横撑、横梁等连接件进行横向传递和分配,为了避免受拉翼缘和竖向加劲肋焊接细节发生疲劳失效,常在受拉翼缘和加劲肋之间留有一定高度的腹板间隙。
由于混凝土桥面板、主梁翼板的约束,在车辆荷载作用下,各钢梁之间会产生相对挠度差,这样主梁间的横向连接件将传递给竖向加劲肋一个作用力,使腹板间隙发生面外弯曲变形,如图1所示,腹板间隙处构造复杂、应力集中显著,面外变形只需达到0.1mm 就会在间隙处产生超过100M Pa 的高幅应力,从而使腹板间隙处成为疲劳裂纹萌生与扩展的温床,如图2所示。
国外对既有钢桥出现这种面外变形所导致的疲劳开裂原因开展了深入的研究,并取得了一些进展[4]。
Fisher 早在20世纪70年代末就提出了腹板间隙面外变形疲劳问题,并建议采用C 类疲劳细节评估腹板间隙疲劳抗力,并通过疲劳试验、实桥测试、数值分析等手段对腹板间隙面外变形疲劳应力产生机理、维修加固方法进行了研究[527]。
20世纪90年代中期,Cousins 等[8]、Stallings 等[9]在Au 2burn 大学对横梁与主梁连接处腹板间隙疲劳开裂行为开展了研究,他们建议通过取消横梁来消除腹板间隙疲劳。
Fraser 等[10]在Alberta 大学对从1座斜交铁路钢板梁桥上割取的8片钢梁进行了疲劳试验和数值分析,研究表明,采用美国规范AASH TO 中C 类疲劳细节评估腹板间隙细节的疲劳性能将产生过于保守的结果,建议维修时采用增设加强板与止裂孔相结合的方法。
Miki 等[11212]对高速铁路、高速公路桥梁出现的一些不曾预料的面外变形疲劳问题进行了研究,并给出了相应的维修建议。
王春生等[13]对陇海线咸阳渭河钢板梁桥出现的面外变形疲劳问题进行了初步研究,并建议了维修加固措施。
2桥梁概况本文中以1座3跨连续钢板梁桥为例进行腹板间隙处面外变形疲劳应力的数值模拟。
该桥跨径为25m +35m +25m ,由5片钢梁组成,钢梁间距为2.7m 。
混凝土桥面板厚度为0.22m ,钢梁通过栓钉和混凝土桥面板相连;纵向每5m 设置X 型中横撑,在中支点和桥台处设置槽型横梁。
中横撑由角钢组成,角钢的单边肢长为150mm ,厚度为12mm 。
为防止出现很低的疲劳细节,跨中下翼缘和中支点附近的上翼缘均不与竖向加劲肋焊接,因此在跨中竖向加劲肋和下翼缘之间留有50mm 的间隙,中支点附近区域的竖向加劲肋和上翼缘之间也留有50mm 的间隙,其余加劲肋均和上下翼缘板焊接,梁桥平面和横断面如图3所示,钢梁图中括号内的数值为中支点附近负弯矩区翼板厚度尺寸。
3有限元模型采用ANS YS 程序对该桥进行全桥仿真模拟,其中混凝土板采用Solid45单元模拟,钢梁采用Shell63单元模拟,而横撑采用Beam188单元模拟,混凝土和钢梁之间则采用耦合自由度的方式,使其位移协调一致[14],梁桥的有限元模型如图4所示。
为得到支点附近腹板间隙面外变形最大响应,将美国规范AASH TO 中的疲劳车最后一个轴作用于横撑Ⅰ处,同时在横桥向变化车辆作用位置,分为以下6个工况进行静力分析:66建筑科学与工程学报 2010年工况1:纵桥向疲劳车最后一个轴位于中横撑Ⅰ处,横桥向为左轮中心线距护栏边缘0.5m(图5)。
工况2:纵桥向疲劳车最后一个轴位于中横撑Ⅰ处,横桥向为左轮中心线距钢梁1中心线右侧1.35m。
工况3:纵桥向疲劳车最后一个轴位于中横撑Ⅰ处,横桥向为左轮中心线位于钢梁2中心线。
图5工况1荷载立面及横向布置(单位:mm)Fig.5E levation and H orizontal Layout ofLoad C ase1(U nit:mm)工况4:纵桥向疲劳车最后一个轴位于中横撑Ⅰ处,横桥向为左轮中心线距钢梁2中心线右侧1.35m。
工况5:纵桥向疲劳车最后一个轴位于中横撑Ⅰ处,横桥向为左轮中心线距钢梁3中心线左侧0.9m。
同样,为得到跨中附近下腹板间隙面外变形最大响应,考虑如下工况:工况6:纵桥向疲劳车第2个轴位于中横撑Ⅱ处,横桥向同工况1横桥向布置相同。
4面外变形应力分别在中横撑Ⅰ、Ⅱ的腹板间隙处等间距布置5个分析点,各分析点如图6所示,其中,Δ为A、B、C、D、E点相对于分析点A的横桥向位移,或为A′、B′、C′、D′、E′点相对于分析点A′的横桥向位移。
在工况1荷载作用下,钢梁2的中横撑Ⅰ处腹板间隙各分析点的应力和位移如表1所示。
由表1可知:在荷载作用下,中横撑Ⅰ处各分析点相对于A点发生了相对的横向位移,随着距离的增大,相对位移也随之增大;在弯矩作用下,A点的最大拉应力为113.9M Pa,随着A点向E点变化,拉应力逐渐减小,到D点已经变成压应力,而到E 点压应力达到最大值。
由此可知,A点和E点的弯矩方向反向,形成面外双向弯曲状态。
通过有限元分析,在中横撑Ⅱ处,腹板间隙各分析点的应力变化和中横撑Ⅰ类似,但其数值较小,最大拉应力为2.7M Pa。
腹板间隙处的应力云图如图7所示。
工况1、6作用下中横撑Ⅰ、Ⅱ处各钢梁腹板间隙76第1期 王春生,等:钢桥腹板间隙面外变形疲劳应力分析图6腹板间隙的各分析点Fig.6Analytical Points at Web G aps表1工况1作用下钢梁2的中横撑Ⅰ处腹板间隙各分析点的应力和位移T ab.1Stresses and Displacem ents of A nalytical Points of T opWeb G ap at Cross Frame Ⅰof G irder 2U nder Load C ase 1分析点间隙位置横向相对位移Δ/mm竖向应力σy /MPa纵向应力σz /MPaA 上翼缘与腹板间隙0.000113.939.4B 上翼缘与腹板间隙0.00065.823.7C 上翼缘与腹板间隙-0.00928.29.4D 上翼缘与腹板间隙-0.023-9.5-5.6E上翼缘与腹板间隙-0.036-56.1-24.3的各分析点的横向相对位移变化及竖向应力变化如图8所示。