基于响应面法的正交异性钢桥面铺装层优化设计

基于响应面法的正交异性钢桥面铺装层优化设计正交异性钢桥面板细节疲劳及铺装层病害是降低大跨径钢箱梁桥服役期寿命的两大主要问题。

国内外专家学者对此开展了不少研究,取得的成果解决了一些实际问题,但仍有不足之处。

对于正交异性钢桥面板的疲劳问题,以往的研究大多不考虑铺装层效应,实际上铺装层的存在能改善钢箱梁疲劳细节的应力状况;另一方面,由于我国繁重的车流、严重的超载及不同地域的气候差异等因素,尚未形成一套完整的桥面铺装设计理论与方法,桥面铺装设计尚需深入研究。

本文以南溪长江大桥为背景,建立考虑(不考虑)铺装层的局部正交异性钢桥面系有限元模型,研究了铺装层厚度、弹性模量及铺装层与钢桥面顶板接触状态对U肋与桥面板焊接处、横隔板开孔处的应力影响规律。

结果表明:考虑铺装层时正交异性钢桥面板疲劳细节应力均有所降低,适当增加铺装层厚度、采用高性能混凝土及保持铺装层与钢桥面顶板良好接触能很好地改善疲劳细节应力,其中,顶板—U肋连接细节应力的减小最为明显。

提出了横向拉应力、层间剪应力及弯沉值的铺装层设计指标体系。

采用正交试验设计方法,研究了最不利轮载作用下,正交异性板结构参数及铺装层材料与结构参数对铺装层设计指标体系的影响规律。

研究发现:铺装层弹性模量对横向拉应力、层间剪应力及弯沉值影响最为显著;铺装层厚度逐渐增加的过程中,横向拉应力及弯沉值逐渐减小,层间剪应力先逐渐增加到一定数值后逐渐减小;钢桥面板厚度的变化对横向拉应力及弯沉值影响很小,层间剪应力随着钢桥面板厚度的增加而减小。

以正交异性钢桥面铺装层质量最轻及铺装层横向拉应力最小为优化目标,层
间剪应力及钢桥面铺装挠跨比为约束变量,按照正交试验设计结果确定设计变量,基于响应面法优化理论对正交异性钢桥面系进行优化设计,并按得到的优化设计点进行仿真分析验证。

优化后铺装层横向拉应力较原设计降低了 0.99%,正交异性钢桥面系质量较原设计减小了 2.12%,仿真计算结果与基于响应面法优化结果一致,基于响应面法进行优化得到的优化值满足要求。