正交异性钢箱梁加劲肋形式及布置的承载能力研究

正交异性钢箱梁加劲肋形式及布置的承载能力研究 正交异性钢箱梁加劲肋形式及布置的承载能力研究

安 稳1，何明辉2

（1.武汉新华大时代路桥工程咨询有限公司，湖北 武汉 430074；2.中铁大桥局集团有限公司设计分公司，湖北 武汉 430050）

摘 要：以某正交异性钢箱梁立交桥为背景，利用ANSYS针对不同形式的加劲肋建立有限元模型进行研究，并在优化后模型的基础上对不同间距的加劲肋模型进行参数分析及加劲肋的极限承载能力研究，从而得到合理的加劲肋形式和布置方式，对今后正交异性钢桥面板设计具有一定的借鉴意义。

关键词：正交异性钢箱梁；ANSYS；加劲肋；参数分析

1 研究背景

正交异性板由面板和加劲板组成，在实际结构应用中，纵肋、面板一般还要与横梁连接，局部构造非常复杂。在荷载作用下，由于其刚度在纵、横向刚度不同，结构在空间三个方向上的变形特性也不同。正交异性钢箱梁中加劲肋形式以及加劲肋间距对正交异性桥面板的结构的极限承载能力有较大的影响，以某钢箱梁立交桥为背景，对不同形式的加劲肋、优化后的不同间距加劲肋建立有限元模型进行研究。通过对加劲肋形式及参数的研究，了解正交异性桥面板在外力荷载作用下应力分布形式、极限承载能力以及为掌握在役钢桥的安全储备系数，为今后正交异性桥面板选用加劲肋形式及参数设计提供一定的技术与理论基础。

2 正交异性板分析方法

在实际的工程问题中，由于结构的复杂性、多次超静定等原因，计算结构的精确解析解是不可能的，但为了满足工程计算精度的要求，适当做出计算假设和模型简化，利用简化力学模型进行分析并得出满足工程安全性、可靠性的结果。钢箱梁结构设计时，不同的位置所受荷载不同，所选用的加劲肋形式也不同。对于正交异性桥面板中加劲肋的极限承载能力分析，考虑材料非线性、几何非线性以及施工焊接产生的残余应力等因素，通过采用ANSYS有限元软件简化分析模型，可以得到更为精确的结果，能满足施工与设计的需要。

3 不同形式加劲肋极限承载能力分析

考虑结构自身的几何非线性、材料非线性、边界条件假定以及一定的初始缺陷，按四边简支约束的板单元模型，轴向加载来计算正交异性板的极限承载力，初始缺陷按L/1000取用（L为跨径）。顶板厚度为16mm，腹板厚度为12mm。钢材弹性模量取2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

3.1 加劲肋类型

在正交异性钢桥面板结构中，通常是由顶板和对其起加劲支撑作用的纵、横向加劲肋焊接连接而成的。由于钢桥面板不同横向位置根据所受外界荷载的不同，设计时选用不同形式的加劲肋。一般情况下，正交异性钢桥面板加劲肋可为开口和闭口两种形式，如图1所示。

图1 正交异性板加劲肋种类

3.2 不同形式加劲肋承载能力分析

对于正交异性板的计算简化为四边简支约束的板进行分析，加劲肋计算模型尺寸为5600mm×2000mm，顶板厚度为16mm，相邻加劲肋间距均为500mm，采用Q345qE钢材。

板式加劲肋分析模型肋高160mm，厚度为10mm；倒T肋分析模型肋板高160mm，T肋翼缘宽80mm，厚度为10mm；U加劲肋计算模型高度为280mm；开口宽度300mm，闭口宽度190mm，板度8mm；V型加劲肋分析模型高度276mm；开口宽度300mm，板度8mm。利用ANSYS建立有限元模型，根据屈曲分析荷载将荷载分多步进行加载，各种加劲肋计算结果如表1所示，U型、V型应力如图2所示。

图2 U型、V型加劲肋应力图

表1 承载力对比结果

加劲肋型式 屈服应力（MPa） 极限承载力（kN）板肋 130.6 12047 倒T肋 166.8 16219 U肋 292.4 28966 V肋 211.3 23706

由表1可以看出，考虑几何非线性和材料非线性影响时，正交异性板在外力荷载作用下的应力均小于材料的屈服强度。各种加劲肋的极限承载能力均不同，U型加劲肋正交异性板承载能力最高，即外界荷载达到28966kN结构屈服，板式加劲肋正交异性板承载能力最低，外界荷载仅在12047kN达到屈服状态。

从上述分析过程，钢箱梁正交异性板受力较大部位采用U型纵向加劲肋较为合理，钢箱梁翼缘板等受力较小的部位选用板式或倒T型加劲肋进行设计造价及受力均比较合理。

4 不同布置间距加劲肋承载能力研究

经对加劲肋形式的研究分析表明，钢箱梁设计时受力部位较大处选用U型加劲肋更为合理。但加劲肋之间的距离不同，正交异性桥面板刚度变化也不同，在外力作用下，结构的极限承载力和屈曲模态也不同。因此，针对U型加劲肋不同间距这一参数建立有限元模型进行分析，加劲肋之间的距离以400mm、450mm、500mm、550mm、600mm五种进行极限承载力计算分析，通过比较其受力情况得出最佳布置方式，为钢箱梁结构设计提供技术支撑，计算结果如表2所示。

表2 承载力对比结果

加劲肋间距（mm） 屈服应力（MPa） 极限承载力（kN）400 237.3 25850 450 274.5 27841 500 292.4 28966 550 305.7 29983 600 250.7 25126

从表2中可以看出，当加劲肋间距为400mm时，荷载达到25850kN时，结构屈服，此时结构最大应力为237.3MPa；当间距为550mm时，荷载达到29983kN时，结构屈服，此时结构最大应力为305.7MPa；当间距为600mm时，荷载达到25126kN时，结构屈服，此时结构最大应力为250.7MPa。经分析，不同间距下的正交异性板的屈曲模态和屈曲应力均不同，当加劲肋距离过小时，加劲肋刚度过大，在荷载作用下，容易使得正交异性板中面板局部应力达到屈曲而丧失承载力；当间距过大时，加劲肋刚度可能会存在不足，从而发生整体失稳。根据上述分析，当加劲肋之间的距离在450～550mm时，正交异性桥面板的承载能力最大，能够充分的发挥材料自身的高强度性能。

5 结论

以某钢箱梁立交桥为背景，针对钢箱梁桥顶板加劲肋型式、布置方式进行承载能力研究，主要结论有：

（1）通过对板式、倒T形、U形及V型四种不同加劲肋型式进行极限承载力分析，结果表明采用U型加劲肋时正交异性桥面板的承载能力大于其他三种形式下的承载能力，建议钢箱梁桥设计中荷载较大或者受力较为集中的部位采用U型肋，其他受力较小部位可以采用板式或倒T型加劲肋；

（2）通过对不同间距的U型加劲肋进行研究分析，当间距过大或过小时，结构自身材料性能均不能较好的发挥，结构比较容易丧失承载力或易发生整体失稳，建议钢箱梁正交异性桥面板在设计时U型加劲肋的间距采用450～550mm。

参考文献：

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[2]狄谨.钢箱梁梯形肋加劲板受力性能与设计方法研究[D].陕西西安,长安大学,2009.

[3]颜飞.正交异性钢桥面板不同闭口纵肋疲劳寿命分析[J].土木工程学报,2000.6,33(3):16-21.

[4]赵欣欣.正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳试验研究[J].中国铁道科学,2013,34(2):41-45.

何明辉(1987-)，湖北武汉人，硕士，研究方向：桥梁工程。

图6 零件辅助送料机构不同种类生产情况对比

4 辅助送料机构发展及结论

汽车工业是工业中的一个重要组成部分，在汽车关键零部件的生产线中，辅助送料机构配合无动力辊道的工件输送形式是比较常规且经济性比较好的一种，了解辅助送料机构的结构及其分类，合适的选用辅助送料机构，有助于在满足生产线生产效率要求的同时，降低整个生产线的成本，减轻人员的劳动强度。

随着加工线对自动化程度的要求提高，辅助送料机构目前也在向着自动化的方向发展，目前已经有尝试和桁架机械手等配合使用，在保持自身经济性好的优点的同时，进一步减少人员的配置，降低人员成本。

参考文献：

[1]李凡,张树礼.发动机缸体缸盖加工自动线现状及发展趋势[J].现代零部件,2014,(5):35-37.

[2]万宏钢.工程机械发动机保养及维护措施[J].南方农机,2010, (3):19-20.

中图分类号：U448.17

文献标志码：A 文章编号：2

文章编号：2096-2789（2017）01-0118-02

作者简介：安稳（1989-），湖北恩施人，硕士，研究方向：桥梁工程。