鋼橋面板的案例
【iSolver案例分享72】正交異性鋼橋面板在車輛載荷下承載性能分析
【iSolver案例分享72】正交異性鋼橋面板在車輛載荷下承載性能分析
1.引言：
iSolver為一個完全自主的面向工程應用的通用結構有限元軟件，對標Nastran、Ansys、Abaqus設計和實現，具備結構有限元常用分析類型和單元、材料、載荷等基礎算法組件，精度和Abaqus一致。本文以正交異性板承載分析為例，演示iSolver的分析流程，并將iSolver和Abaqus計算結果進行對比。
2.模型背景：
正交異性板即正交異性鋼橋面板，是用縱橫向互相垂直的加勁肋（縱肋和橫肋）連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結構。這種結構由于其剛度在互相垂直的二個方向上有所不同，造成構造上的各向異性。制造時，全橋分成若干節段在工廠組拼，吊裝后在橋上進行節段間的工地連接。通常所有縱向角焊縫(縱向肋和縱隔板等)貫通，橫隔板與縱向焊縫、縱肋下翼緣相交處切割成弧形缺口與其避開。鋼橋面板作為主梁的上翼緣，同時又直接承受車輛的輪載作用，在焊縫交叉處設弧形缺口，其構造細節很復雜。當車輛通過時，輪載在各部件上產生的應力，以及在各部件交叉處產生的局部應力和變形也非常復雜，所以鋼橋面板的靜載以及疲勞問題是設計考慮的重點之一。
本例子選取了正交異性鋼橋面板的一個節段，建立了其有限元模型。并且根據《公路橋涵設計通用規范》設置了輪胎加載面積取為實際輪胎接地面積200×600mm，車輛軸重選取為30t并且分布在四個輪胎上，每個輪胎承載約75000N。
3.建模：
進入isolver軟件前處理界面，首先創建part，點擊part，之后點擊create，建立一個名字為bridge的part：
再來建立點，點擊node，之后點擊create，出現如下所示頁面。
展開 大跨度橋梁設計中對開口肋正交異性鋼橋面板的認識誤區
此外，ORD較易滿足可變縱肋高度需求，這一點正是重新安裝低間隙橋梁橋面板所需要的。
本文將：
1）簡要概述CRD和ORD的發展史；
2）探討過去幾十年設計專業人員避免使用ORD的原因；
3）討論ORD和CRD的優缺點；
4）介紹案例研究的結果；
5）得出結論并提出建議。
ORD和CRD的發展史
圖2 歐洲和北美代表性正交異性橋面板的發展史
圖2展示了歐洲和北美地區采用了ORD和CRD的代表性項目的發展歷程。在日本也存在類似的趨勢。自1998年左右以來，中國一直在使用正交異性鋼橋面板，并且認為正交異性鋼橋面板只有閉口肋橋面板。
ORD
ORD的發展要早于CRD。1934年，德國人在均林根的“高速公路立交橋”中首次使用了開口肋鋼橋面板，這是一種“空心”橋面板，需要進行大量焊接。大約在1935年，“加強鋼橋面板（battledeck floor）”，類似于圖3所示，首次安裝在RFK大橋（當時名為三區大橋（Triborough Bridge））的升降式橋跨上。1938年，美國鋼結構協會首次發表關于鋼橋面板的研究報告，其中包括“加強鋼橋面板”。
展開 正交異性鋼橋面板抗疲勞之策
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鋼正交異性板是由面板、縱肋和橫肋組成，三者互為垂直，焊接成一體而共同工作。由于鋼正交異性板在相互垂直方向的剛度不同，造成受力行為上的差異，故稱為正交異性板。
正交異性板雖然具有重量輕（板薄、用鋼量少）、承載能力大的優點，但在垂直的集中荷載作用下，會產生較大的局部鼓曲狀變形，而且任一部件的豎向撓曲變形都將引起與之相鄰部件的面外撓曲變形，在焊縫約束處產生彎曲次應力。而且，汽車輪載在橋梁使用壽命（≥100年）內的作用次數很多，一旦產生裂紋，又直接導致橋面鋪裝層的損傷，故而，正交異性鋼橋面板的疲勞問題備受關注。
正交異性鋼橋面板裂紋種類
我國正交異性鋼橋面板的應用起步較晚但發展勢頭迅猛。已采用正交異性鋼橋面板的大跨度鋼橋有南京二橋、虎門大橋、軍山大橋等。目前，正交異性鋼橋面板的鋼橋梁中已觀察到不同程度的病害。根據近五年鋼橋梁病害維修加固項目不完全統計，正交異性板焊縫裂紋占鋼箱梁總病害比例36%，正交異性板母材裂紋占鋼箱梁總病害40%，其他病害占鋼箱梁總病害18%。正交異性板疲勞裂紋占鋼箱梁病害之高，對其維修加固方法及措施引起廣泛的關注。
展開 港珠澳大橋設計之美 2
符合現行交通運輸部頒《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）規定的汽車荷載提高25%。
符合抗震標準。
而建設難點主要體現在外海環境惡劣復雜、海底軟基深厚、淤泥多、水深、隧道距離長、符合中華白海豚保護區的環保要求等。
利用仿真技術攻破難點
因此，在如此苛刻的建設條件下建設大型海底沉管隧道，已有的內河沉管隧道建設技術和經驗已遠遠不能滿足工程需求，需要進行技術創新和突破。
從2011年開始到2016年間，國內相關專家參與港珠澳項目島隧工程項目，進行了隧道受力分析及動力響應數值仿真項目，對沉管浮運和沉放全過程進行數值建模分析，同時計算分析了沉管安裝深槽區域特殊波浪與流載荷的影響，分析各種不利荷載作用下沉管的動力響應。
其中在2012年，為了達成橋梁使用壽命達到120年的目標，通過采用有限元軟件建立了原件和小件仿真模型，并對不同截面形式的鋼橋面板受力性能進行分析。
試驗進行了半年時間，循環荷載大約進行了三四百萬次，試驗結果表明120年的設想是成立的。通過多種構件試驗，設計出新的構造形式，為設計提供了經濟合理的技術參數，為整體建設節約了3億元左右的資金。
工程師們同時可以利用有限元模型對海床結構進行分析。首先應將沉管隧道結構及其周圍回填的碎石層殺死，進行初始地應力平衡后，再根據設計的管節沉放順序，逐段組合沉管隧道管節結構及其周圍回填的碎石層。
而為了直觀形象的表達港珠澳大橋島隧工程的設計施工方案，還能利用三維仿真技術，分析了該工程施工全過程的三維仿真。
通過構建特殊場景和背景、動畫、場景氣氛和色調、優化模型的材質及貼圖和從多角度渲染預設方案場景等技術手段，提高模擬效果。系統的三維仿真演示可以很好的體現島隧工程施工過程的重點、難點以及關鍵流程，再現施工過程全貌。
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橋梁歷史上的今天(12月6日)
黃山花山大橋為獨塔單索面墩塔梁固結體系斜拉橋，跨徑布置為130+110m，橋寬為30m，雙向四車道。
8. 2015年12月6日，美國肯塔基州路易斯維爾-印第安納州杰斐遜維爾的亞伯拉罕·林肯大橋(Abraham Lincoln Bridge)建成通車。大橋主橋為三塔斜拉橋，主跨跨度為213m，橋梁總長度為640m，橋梁以美國總統 亞伯拉罕·林肯的名字命名。
9. 2015年12月6日，中國安徽安慶長江鐵路大橋建成通車。安慶長江鐵路大橋主橋為101.5+188.5+580+217.5+159.5+116m的連續鋼桁梁斜拉橋，主梁采用三片主桁的鋼桁架結構，主桁中心距2x14m，桁高15m，節間長14.5m，橋面采用正交異性整體鋼橋面板。橋塔為鋼筋砼結構，橋面以上為倒“Y”形，橋面以下為鉆石形，塔高210m。斜拉索為空間三索面，每塔兩側18對，全橋共216根。
來源：敦樸小兵
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加勁梁及其約束體系
加勁梁采用帶豎桿華倫式鋼桁梁，正交異性鋼橋面板板桁組合體系，主橫桁采用帶豎桿華倫式，下平聯采用 K形撐。因主纜回轉錨固的要求，中跨垂點低于橋面，部分主纜在上弦桿上方、部分主纜在上下弦桿之間。為避免主纜和桁梁干擾，加寬主纜橫向間距，單側加寬1.6m，滿足主纜緊纜、纏絲空間需求。在節點設置箱形斷面鋼牛腿用于懸吊鋼桁梁。位于上弦桿上方的主纜對應吊索全部錨固于上弦桿牛腿，上下弦桿之間的主纜對應吊索全部錨固于下弦桿牛腿以減少吊索長度。加勁梁的約束體系由限位剪斷裝置、環向鋼絲繩組合阻尼鋼拉壓支座、橫向抗風支座組成。圖 6 為加勁梁及約束體系示意圖。
圖6 加勁梁及約束體系示意圖
鋼絲繩阻尼支座為軍民融合技術新產品，屬位移型摩擦阻尼耗能裝置，本構模型為三折線形。環向鋼絲繩組合阻尼鋼拉壓支座在地震作用下不損壞，地震過后僅需適當復位即可使用，超出最大減震位移后鋼絲繩拉緊防止發生過大位移應對地震作用的不確定性。限位剪斷裝置在剪斷后，僅需更換剪斷銷即可恢復功能。兩者均是維護方便、環保低碳的約束裝置。加勁梁約束體系的主要特點為：1）正常工況，加勁梁縱向低側固定、高側滑動的非漂浮簡支約束狀態，減小制動位移；2）橫向對稱約束，實現加勁梁橫向均衡受力；3）地震工況，限位剪斷裝置剪斷，加勁梁處于半漂浮減震狀態。
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這種情況下，可以采取逐個支座頂升及其澆筑混凝土橋面板的施工法，其頂升高度將大幅度下降。
加載配重法
利用鋼梁的彎曲變形恢復性能，首先澆筑正彎矩區的混凝土橋面板，待硬化后加載配重；然后澆筑負彎矩區的混凝土橋面板，待硬化后撤去配重。
負彎矩區使用鋼纖維混凝土
物部川鐵路橋
各跨跨徑：46.9m+2*47.5m+46.9m
橋面板：輕質混凝土橋面板
鋼材：耐候鋼
連接件：負彎矩區用開孔鋼板
連續組合梁的分類--按照組合是否沿著橋梁全長連續分類
沿著橋梁全長用剛性連接件連接、即組合連續，橋墩上橋面板就發生很大的拉應力。
要減少這個拉應力，將負彎矩區設計為非組合或柔性組合、即組合斷續。
采取組合斷續的連續梁，在均勻分布荷載作用下，支座上橋面板拉應力能夠降低。
在這里值得要說明的是橋面板仍然是連續的，僅僅是鋼梁與橋面板的組合是斷續的。
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上塔柱設置鋼牛腿和鋼錨梁。
4.鋼混組合塔施工工藝
基于鋼-混組合索塔的特點，采用了工廠化、裝配化的施工工藝，將大部分鋼筋在工廠內預穿并隨鋼殼整體吊裝裝配，用鋼殼兼作混凝土模板，省去了大型爬模設備，現場僅需連接節段間鋼筋和澆筑混凝土，有效減少現場作業強度及難度，提高工程質量。
主梁設計
1.主梁結構形式
對應于本橋主跨600m的三塔斜拉橋而言，主梁結構選擇鋼箱梁或組合梁均是可行的。組合梁由于橋面板采用了混凝土結構，可以有效規避正交異性鋼橋面板的疲勞病害和鋼橋面鋪裝易損問題，并且經濟性相對更優，故南京五橋主梁選擇了鋼混組合梁方案。
傳統鋼混組合梁的橋面板混凝土通常采用C55～C60混凝土，板厚一般不低于27cm，主要由車輪局部荷載作用下引起的局部彎矩和結構總體受力共同控制。較大的橋面板厚度使得鋼混組合梁結構自重較鋼箱梁大，自重引起的斜拉索索力、塔柱軸力比重加大。為克服自重，必須加大索塔尺寸和斜拉索規格，從而影響了其經濟性以及朝更大跨度斜拉橋應用的可能性。
選用高性能的粗骨料活性粉末混凝土作為橋面板材料，不僅可有效提高混凝土橋面板的受力性能，而且可優化橋面板的厚度，使鋼混組合梁自重明顯降低，進而降低索塔尺寸、斜拉索規格，改善整體結構性能，使鋼混組合梁能夠適應更大跨徑斜拉橋的需求。
展開 橋梁歷史上的今天(10月29日)
大橋又叫東約克利賽德高架橋(East York Leaside Viaduct)，橋梁為桁架橋，橋長440m。
2. 1929年10月29日，西班牙特魯埃爾費爾南多·胡埃大橋(Fernando Hué Viaduct)開通。橋梁為上承式鋼筋砼拱橋，跨徑79.8m。
3. 2007年10月29日，中國重慶菜園壩長江大橋建成通車。菜園壩長江大橋主橋為88+102+420+102+88m的中承式鋼箱系桿拱橋，采用剛構與提籃式鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結構半漂浮體系。橋梁為公軌兩用橋梁，上層為六車道公路交通，兩側各設有2.5m寬人行道，公路設計車速為60km/h，橋面凈寬30.5m，下層為輕軌線，設計車速為75km/h。主拱圈采用封閉式鋼箱，寬2.4m，高4m，標準節段水平投影長16m，拱軸線采用二次拋物線，矢跨比為1/5.67，主拱肋傾角為10.67度，全橋設6道鋼箱橫撐；Y形剛構采用變截面空心薄壁預應力砼結構；主梁采用正交異性橋面板鋼桁梁，標準節段長16m，寬39.8m，高11.2m，重230t。大橋榮獲第九屆中國土木工程學會詹天佑獎。在拱橋拱跨跨排名中排世界第14，中國第11。
4. 2008年10月29日，重慶三江寨溪大橋建成通車。大橋原名三江絲廠大橋，大橋全長104.75米，橋面寬度為凈7米+2米寬的人行道，橋梁上部采用25+35+25米三孔應力鋼筋混凝結構，橋臺采用重力式U型橋臺+明挖擴大基礎，橋墩采用樁柱式結構。
5. 2009年10月29日，中國浙江寧波灣頭 大橋建成通車。灣頭大橋主橋為三跨連續下承式鋼桁架拱橋，跨徑組合為48+180+48m，拱肋矢跨比為1/5。
6. 2009年10月29日，韓國釜山乙淑島大橋舉行了開通儀式。
展開 【施工技術】跨高速鋼箱梁頂推施工技術
1 工程概況
本工程主橋橋型為雙拱形塔雙索面斜拉橋，孔跨布置為（90+2×54+90）m。主梁采用等高箱型截面梁，單箱三室直腹板截面，梁高2.4m，寬20（26）m，混合梁體系。其中跨為混凝土梁，總長120m；邊跨為鋼梁，總長168m。鋼-砼結合段設在邊跨，在距次中墩中心6.0m處，結合段長2.0m。
2 跨高速鋼梁施工情況
2.1 跨高速鋼粱結構
跨高速鋼箱梁為全焊鋼箱梁結構。截面外形和副跨混凝土梁截面對應。每300cm設置一道橫隔梁，鋼箱梁頂板板厚采用16mm，底板板厚14mm，邊腹板板厚20mm，中腹板板厚14mm。
鋼箱梁橋面板采用正交異性板構造，頂板行車道范圍內縱向加勁肋為U型板肋，高度280mm，板厚8mm。頂板U型肋布置間距約600mm；翼緣人行道范圍采用T型肋，T肋豎版高150mm，厚10mm，T肋水平板高100mm，厚10mm。箱梁底板加勁肋均采用U型肋，高度200mm，板厚8mm，間距700mm。腹板加勁肋均采用板肋，高度150（180）mm，板厚14mm。橫隔板厚12mm，中室和邊室均設置人孔。
為了使鋼箱梁節段截面特性逐漸過渡，鋼梁梁端頂板、底板U型加勁肋設置倒T型加勁板進行過渡，截面過渡段長度3500mm；該節段頂、底板厚度局部加厚至20mm，腹板局部加厚至24mm。
2.2 鋼梁節段劃分
跨高速鋼箱梁材料為Q345qD，總重量為1162t。鋼梁橫向分為5 個節段，縱向劃分8個節段，全跨共計40個節段，其中最重節段為50t，外形尺寸13200×7072×24
2.3 施工環境
橋梁所經區域分布有林帶、荒地、少量水塘及民房。高速與橋梁斜交，其交角為48°，路肩在順橋向的寬度為37.6m。施工過程中，不得封閉外環線車道或阻斷交通。跨高速橋下凈空不得小于5.5m。
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4.2、恒載計算
本棧橋恒載主要為型鋼橋面系、貝雷梁及墩頂分配梁等結構自重，見表-2：
表-2
序號
結構名稱
荷載集度
(kN/m)
備注
1
橋面板
4.71
順橋向
2
I14縱梁
2.4
順橋向
3
I20a橫梁
1.0
順橋向
橋面系合計
8.11
順橋向
4
I56a主梁
6.4
順橋向
4.3、荷載組合
另考慮冰雪等偶然荷載作用，故按以下安全系數進行荷載組合：恒載1.2，活載1.3。根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》規定：臨時結構容許應力可提高1.3（組合Ⅰ）、1.4（組合Ⅱ～Ⅴ）。本棧橋彎曲容許應力取203MPa，容許剪應力取119MPa。
5、結構計算
棧橋結構如下圖所示，根據從上到下的原則依次計算如下：
5.1、橋面板計算
橋面板采用δ＝12mm鋼板，鋼板下設中心間距400mm的I14工字鋼縱梁，橋面板凈跨徑為32cm（I14工字鋼翼板寬度為8cm），橋面板與工字鋼縱梁間斷焊接，橋面板計算跨徑按32cm計。
5.1.1、荷載計算
履帶吊機履帶寬度（760mm）及公路—Ⅰ級汽車中、后輪寬度（600mm）均大于工字鋼縱梁間距，故履帶吊車及公路—Ⅰ級汽車荷載后輪荷載直接作用在工字鋼縱梁上，橋面板不作該種檢算，僅對公路—Ⅰ級汽車荷載前輪作用于橋面板跨中進行檢算。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004)車輛荷載前軸軸重取30kN，前輪著地寬度及長度為0.3m×0.2m，故按前軸單胎重作為均布荷載計算。
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精品課程A27-栓釘綴板連接雙鋼板剪力墻滯回模擬
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精品課程A28-螺栓連接主次梁栓釘壓型鋼板組合梁受彎分析
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精品課程A29-螺桿預制裝配連接帶牛腿鋼筋混凝土梁柱節點滯回模擬
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