大懸臂展翅箱梁懸臂長度分析

徐 巖

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

1 工程概況

珠海市金港路橫琴北段工程是珠海市金海高速公路的一部分，北起洪灣互通，南接橫琴互通，路線高架于在建的橫琴島環(huán)島路之上，路線全線均為高架，全長6.578km［1].

大懸臂展翅箱梁脊梁為單箱三室截面形式，頂寬33.5m，底寬17.5m，梁高2.5m，邊肋斜度為1∶2，脊梁兩側(cè)每隔4～5m，密集設(shè)置0.5m寬的橫隔板加勁肋，形成魚刺，以加大懸臂尺寸，橋梁標準橫斷面如圖1所示［2].

圖1 橋梁標準橫斷面

懸臂下部采用弧形鏤空裝飾板，使得箱梁線條流暢而靈動.弧形鏤空裝飾板使橋下空間更大，無壓抑感.配合主梁梁部相適應(yīng)的花瓶形板式墩，上下呼應(yīng)，可使結(jié)構(gòu)整體景觀效果好，且滿足地面道路通行的需要，如圖2所示［3－4].

圖2 建成后效果圖

2 建立模型

為了研究箱梁懸臂長度對箱梁的影響，采用大型通用有限元分析軟件MIDAS／Civil 7.9建立有限元分析模型.橋梁汽車荷載：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60－2004表4.3.1－2取值，假設(shè)車輛后軸作用在隔板上，集中力按140kN計.偏載集中力按四車道布置，如圖3所示.

圖3 橋梁偏載布置圖

梁格法建模思路：取跨中箱梁節(jié)段為研究對象，以箱梁隔板為主梁，按梁高劃分節(jié)點，懸臂采用“T”字型梁截面模型，箱室采用中腹板截面模型，模型采用三隔板，主梁之間采用虛擬橫梁連接［5].為盡量使節(jié)段模型結(jié)果符合實際，在中腹板下和橫隔板相交處布置虛擬固定支座一個，其余布置虛擬支座限制豎向位移和豎向轉(zhuǎn)角位移，懸臂長度根據(jù)研究需要取值［6－7]，如圖4所示.

圖4 箱梁梁格模型

3 懸臂長度分析

考慮箱梁在結(jié)構(gòu)重力、汽車偏載和標準組合工況（考慮結(jié)構(gòu)重力和汽車偏載共同作用，組合系數(shù)均取1.0）3種工況下，分析4種懸臂長度下箱梁懸臂端部的位移、箱梁懸臂根部的內(nèi)力、應(yīng)力，經(jīng)過整理數(shù)據(jù)得到各工況下懸臂端位移統(tǒng)計圖，結(jié)果如圖5所示（注：箱梁的位移、內(nèi)力不考慮鋼束的作用，應(yīng)力考慮鋼束的作用）［8].

圖5 各懸臂長度箱梁偶然組合作用下懸臂端位移

3.1 箱梁懸臂端部位移

從統(tǒng)計圖6（a）～（c）中可看出，在距離懸臂根部距離越遠，荷載作用下位移值越大.結(jié)構(gòu)重力作用下6m懸臂端位移最大為2.5mm，12m懸臂端位移最大為20.9mm，懸臂端位移的增加不是線性增加，懸臂增長一倍時，位移值增加近8.3倍.汽車偏載作用下6m懸臂端位移最大為1.0mm，12m懸臂端位移最大為7.8mm，懸臂增長一倍時，位移值增加近7.7倍.從圖6（d）可看出，汽車偏載對懸臂位移的增加影響較小，位移的增加主要是箱梁結(jié)構(gòu)重力的作用.

圖6 箱梁懸臂端部位移

3.2 箱梁懸臂根部彎矩

從統(tǒng)計圖8（a）～（c）中可以看出，在距離懸臂根部距離越遠，荷載作用下彎矩值越大.結(jié)構(gòu)重力作用下6m懸臂根部彎矩為1 739kN·m，12m懸臂根部彎矩為5 569kN·m，懸臂增長一倍時，彎矩值增加近3.2倍.從統(tǒng)計圖8（d）中可以看出，汽車偏載對懸臂位移的增加影響較小，箱梁懸臂根部彎矩的增加主要是箱梁結(jié)構(gòu)重力的作用.

3.3 箱梁懸臂根部應(yīng)力

從統(tǒng)計圖10中可以看出，在考慮預(yù)應(yīng)力作用時，懸臂越大，在偶然組合作用下懸臂根部應(yīng)力越大.6m懸臂根部頂緣壓應(yīng)力為5.6MPa，12m懸臂根部頂緣壓應(yīng)力為3.4MPa；6m懸臂根部底緣壓應(yīng)力為2.2 MPa，12m懸臂根部頂緣壓應(yīng)力為12.1MPa，從統(tǒng)計圖10（b）可以看出，汽車偏載對懸臂頂緣均產(chǎn)生拉應(yīng)力，對懸臂底緣均產(chǎn)生壓應(yīng)力.從圖10（c）可以看出，在懸臂8m左右時箱梁懸臂的頂?shù)拙壆a(chǎn)生的壓應(yīng)力基本相等，為4MPa左右（注：圖中壓應(yīng)力為負，拉應(yīng)力為正）.

圖10 懸臂根部的應(yīng)力

4 結(jié) 語

本文以橫琴二橋工程采用的大懸臂展翅梁為研究對象，運用有限元軟件 MIDAS／Civil建立了箱梁的梁格分析模型，分析了在結(jié)構(gòu)重力、汽車偏載及組合工況作用下大懸臂展翅箱梁橫向預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)對不同箱梁懸臂長度的影響.從本文分析中可以得出如下結(jié)論：1）大懸臂展翅箱梁的懸臂結(jié)構(gòu)重力對箱梁懸臂位移、內(nèi)力的影響較為明顯，根據(jù)橋面寬度選擇合適的懸臂長度可以使箱梁的各項指標比較經(jīng)濟、合理，通過分析長度與橋?qū)挼谋戎翟?.2～0.3較為適合.2）汽車偏載作用對箱梁頂板橫向受力影響較大，橫向彎矩控制箱梁結(jié)構(gòu)橫向鋼束配筋.

［1]珠海市金港路橫琴北段工程設(shè)計［J].中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2011（5）：1－3.

［2]王偉臣.展翅梁橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介［J].公路，1999（10）：12－16.

［3]蘇 磊.展翅梁多腹板寬箱梁橋設(shè)計的探討［J].中國科技信息，2007（21）：32－35.

［4]施順濤.展翅梁在深圳火車站高架橋中的應(yīng)用［J].鐵道標準設(shè)計，1994（3）：21－23.

［5]戴公連，李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計方法與應(yīng)用［M].北京：人民交通出版社，2001：15.

［6]張俊平，李新平，張 靖.展翅梁結(jié)構(gòu)節(jié)段三維應(yīng)力場分析［J].橋梁建設(shè)，1998（3）：53－54.

［7]劉 芳.廣州市內(nèi)環(huán)路工程展翅梁結(jié)構(gòu)設(shè)計［J].華南建設(shè)學院西院學報，1998，6（1）：88－90.

［8]徐 巖.大懸臂寬幅箱梁橋梁格法空間分析［D].武漢：華中科技大學，2012（5）：21－28.