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图4.3-4 纵桥向和横桥向加载工况（单位：mm）
为了全面考察桥面板在车辆荷载作用下的应力状态，对多种荷载工况进行了分析。纵桥向：轮荷载作用在跨中和横隔板；横桥向：分为骑在U肋上，在U肋上和在U肋间三种工况（图4.3-4）。下面按不同的工况分析桥面板的应力集中情况，考虑桥面板扩散作用，车轮荷载按70kN考虑，轮压作用面积为740×340 m㎡。
横桥向按骑U肋、U肋上和U肋间三种工况进行分析，分别给出桥面板上下表面的应力集中情况。由于横桥向应力是桥面板疲劳开裂的主要因素，所以主要分析桥面板横桥向应力。纵桥向考虑荷载位于横隔板上方时见图4.3-5；荷载位于U肋跨中上方时见图4.3-6。(top－桥面板上表面；bot－桥面板下表面；正为拉，负为压)。
(a) 骑U肋加载(Riding-rib wall loading) b）U上肋加载(Over-rib loading)
(c) U肋间加载(In-between-ribs loading) 图4.3-5 横隔板处加载 桥面板的横向应力分布
(a) 骑U肋加载(Riding-rib wall loading) （b）U上肋加载(Over-rib loading)
(c) U肋间加载(In-between-ribs loading) 图4.3-6 跨中加载 跨中桥面板的横向应力分布
根据图4.3-5和图4.3-6桥面板的应力分布状况可知：
1）单轮加载时，轮压的影响范围较小。轮压在车轮作用范围内，横向应力显著大于
其它地方。横隔板处加载，影响范围为2个U肋；跨中加载影响范围3个U肋。
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2）U肋与桥面板连接处应力集中现象严重，在轮压作用范围内的U肋与桥面板连接
处的应力变化非常陡峭，表明U肋与桥面板连接处存在应力集中现象。 3）在轮压荷载作用范围内的U肋与桥面板连接处桥面板底部受压顶部受拉，而在肋
间的桥面板底部受拉顶部受压。
4）骑U肋为最不利工况，U肋与桥面板连接处最大压应力分别为55MPa和63MPa。
虽然为压应力，但是此处不仅有初始缺陷，而且有焊接残余应力，易于产生裂缝。 4.3.3 跨中加载时横隔板处应力分析
如图4.3-7给出了在跨中加载时在横隔板上方产生纵桥向和横桥向应力的分布情况。可以看出：跨中U肋上加载时，在横隔板处的产生一定程度（最大约10MPa）的横桥向应力和纵桥向应力。在轮压荷载范围内U肋与桥面板连接处的横向和纵向应力显著大于其它位置，且桥面板下表面产生的横向应力大于上表面，而纵向应力则小于上表面。
(a) 纵向应力分布 (b) 横向应力分布 图4.3-7 跨中加载 横隔板处桥面板的应力分布
4.3.4 轮压荷载接触面积的影响分析
当桥面出现裂缝时，桥面铺装层也会出现龟裂，导致铺装层的应力扩散效果减小甚至消失，使钢桥面板直接承受车辆荷载作用。为了考察轮压接触面积对桥面板应力的影响，接触面积分别按740×340mm2和600×200mm2两种情况，以最不利工况骑U肋为例，分析在横隔板加载和跨中加时桥面板下表面的横向应力，见图4.3-8。
(a) 横隔板加载(Action of diaphragm) (b) U肋跨中加载(Action of rib midspan)
图4.3-8 轮压接触面积的影响
通过比较桥面板的横向应力分布可知：
1）轮压接触面积减小，桥面板局部应力幅值会增大，跨中加载时增大近50MPa。 2）轮压接触面积减小，使得肋与桥面板连接处的应力集中现象更为严重。
4.3.5 双轴作用下桥面板应力分布
55吨重车共包括5个轴，后面两个轴间距仅1.4m，约为2个U肋的间距，可能同时对桥面产生影响。以下以骑U肋加载工况为例，考察双轴作用下桥面板横向应力在U肋与桥面板连接位置沿纵桥向的分布（下表面）。加载工况为：隔板对称加载、一轮隔板加载、跨中对称加载三种，如图4.3-9所示。
1.4m隔板对称布载一轮在隔板上跨中对称布载4m4m4m
图4.3-9 三种双轴加载工况示意
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(a) 双轴和单轴加载比较) (b) 双轴加载比较
图4.3-10 双轴加载桥面板横向应力分布
双轴加载时肋与桥面板连接处的横向应力分布见图4.3-10，通过比较可知： 1) 一个轮轴恰好作用在横隔板上时，桥面板受力最为不利，其横向应力最大。 2）横向应力较大的地方也出现在加载位置附近，其它地方的横向应力较小。 3）双轴作用下桥面板的横向应力要大于单轴作用产生的横向应力。 4.3.6 结论
以虎门大桥为研究对象，建立了正交异性钢桥面板的三维板壳有限元模型，分析了车轮局部荷载下桥面板的应力集中现象，通过分析可知：
1）局部轮压荷载影响范围较小，横桥向根据不同的加载位置，影响范围2～3个U
肋范围；纵桥向仅在轮压部位产生较大的应力集中。
2) 横桥向加载时，骑U肋加载为最不利工况，骑U肋加载在桥面板和U肋焊接处
产生的横桥向应力最大。
3) 车轮局部荷载作用下，在桥面板和U肋焊接处附近的应力变化显著，表明U肋
与桥面板连接处存在的应力集中效应。
4) 随着铺装层破坏，车轮受压面积的减小，在同样大小的荷载作用下桥面板局部
应力幅值增大。
5) 双轴作用下桥面板的横向应力要大于单轴作用产生的横向应力。双轴中一轮恰
好位于横隔板上方时，此处肋与桥面连接产生的横向应力最大。
通过对车轮局部荷载作用下正交异性钢桥面板的应力分析，为进一步分析其疲劳开裂问题打下基础。