橫向大懸臂鋼箱梁橋力學性能分析

胡志禮

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430023）

0 前言

現代城市車輛增長迅速，交通流量日益加大，建立高架橋網絡是解決城市交通擁堵的有效途徑。但由于城市高架橋不可避免跨越地面道路，對周邊交通和環境影響較大，故施工便捷、結構性能好、環境影響小的鋼箱梁橋在城市高架橋中應用較為廣泛。以武漢市為例，近5年，二環線、竹葉山、武咸公路等高架橋在跨越道口處大范圍使用鋼箱梁，平面面積達12 000 m2。這些鋼箱梁橋受橋下空間的限制，墩柱間距和箱梁支座橫向間距均較小，而橋面寬度均在30 m左右，形成典型的橫向大懸臂寬鋼箱梁結構，因此，明確大懸臂寬鋼箱梁橋的力學性能，為設計和施工奠定理論基礎，是非常必要的。

目前，鋼箱梁橋力學性能的研究主要針對橋寬為8～16 m等寬鋼箱梁，且支座橫向布置較為均勻，箱梁橫向懸臂寬度合理，而對支座橫向間距小（6 m左右）、箱梁橫向懸臂大（10 m以上）的寬鋼箱梁橋研究卻較少。因此，本文以一座橫向大懸臂寬鋼箱梁橋為背景，采用Midas有限元軟件建立其空間有限元模型，分析橫向大懸臂寬鋼箱梁橋在不同荷載作用下的內力和變形分布規律，提出優化設計該類橋梁的方法，為今后類似橋梁的建設提供參考。

1 工程背景

武漢市二環線漢口段位于武漢市漢口發展大道上，其中高架橋全長達11.5 km。由于地面交通的影響，在跨越道口均采用節段施工、整體吊裝的鋼箱梁方案。其中跨越南泥灣大道道口處的曲線連續鋼箱梁結構，跨徑布置為（45+57+45）m，橋面寬度為26 m，箱梁支座中心線間距為6.0 m，橫向懸臂理論長度達10 m，為典型的橫向大懸臂斜腹板寬鋼箱梁橋。該鋼箱梁橋平面布置見圖1。

圖1 鋼箱梁橋平面布置圖

1.1 箱梁截面構造

箱梁全寬26.0 m，中心線處梁高2.2 m。鋼箱梁采用單箱5室截面，箱室寬4.5～4.675 m，兩側懸臂各4.0 m。由于該聯位于平曲線段，箱梁頂底板平行，設2.0%單向橫坡。

箱梁頂底板厚16 mm，在支點橫梁區域加厚至24 mm。箱梁兩外側腹板采用斜腹板，中間腹板采用鉛直腹板，腹板間距4.5 m左右。腹板厚度為14 mm，在支點橫梁附近區域加厚至36 mm。鋼箱梁標準斷面見圖2。

圖2 箱梁標準斷面圖（單位：mm）

箱梁橫梁采用兩道腹板箱形橫梁，中橫梁腹板厚度40 mm，端橫梁腹板厚度24 mm。橫梁腹板間加設豎向加勁肋。由于橋下空間的限制，箱梁支座中心線間距為6.0 m，箱梁理論懸臂長度達10.0 m。本聯箱梁為典型的橫向大懸臂寬鋼箱梁結構。支點斷面見圖3。

圖3 箱梁支點斷面圖（單位：mm）

各腹板在端橫梁和中橫梁位置附近為36 mm厚，其余段為14 mm厚。

1.2 主要設計參數

結構重要性系數γ0＝1.1。

鋼板采用Q345qC，其彈模E＝2.0×105MPa。

1.3 主要技術標準

（1）橋梁設計荷載為：城-A；

（2）設計基準期：100 a；

（3）設計安全等級：一級；

（4）抗震設防標準：橋梁抗震設防類別為B類，基本地震動加速度峰值0.05 g;

（5）溫度變化：-15℃～45℃。

2 鋼箱梁橋計算模型

2.1 計算模型

運用Midas Civil 2010有限元軟件，建立三跨連續的橫向大懸臂鋼箱梁橋有限元模型，考慮恒載、汽車活載、溫度、基礎不均勻沉降等荷載作用，分析正常使用極限狀態連續鋼箱梁橋的空間力學性能。具體有限元模型見圖4。

圖4 大懸臂寬鋼箱梁橋有限元計算模型

2.2 計算控制截面

為明確該鋼箱梁橋在各種不同荷載作用下的結構性能，本文對1-1（邊墩墩頂）、2-2（邊跨跨中）、3-3（中墩墩頂）、4-4（中跨跨中）等控制截面不同部位的應力和變形進行分析。控制截面具體布置見圖5。

圖5 箱梁立面布置圖（單位：mm）

3 連續鋼箱梁橋內力和變形分析

3.1 寬鋼箱梁橋剪力滯效應分析

由于連續鋼箱梁橋橋面寬、橫向懸臂大，因此需要分析恒載作用下沿截面寬度方向的應力分布，以明確橫橋向剪力滯效應，為橋梁設計提供依據。

由于鋼箱梁橫截面為對稱截面，因此選取鋼箱梁截面的一半作為研究對象，分析鋼箱梁橋頂板的正應力分布情況，探明其剪力滯的變化規律。鋼箱梁橋控制截面正應力分析點為沿橋寬方向的不同位置，對每個截面橫橋向選擇7個點進行分析，其中1、3、5點分別位于中腹板、次中腹板、邊腹板處，具體分布見圖6。

圖6 正應力分析點分布示意圖

從表1中可以看出，在鋼箱梁同一橫斷面處，中腹板和次中腹板處頂板正應力變化較小，分布較為均勻；從鋼箱梁邊腹板到截面外緣，橫橋向頂板正應力衰減的幅度較大，應力分布不均勻，說明橫向大懸臂鋼箱梁橋存在明顯的剪力滯后效應。

表1 恒載作用下鋼箱梁各控制截面橫橋向頂板正應力（單位：MPa）

對兩個跨中截面，邊腹板處頂板正應力均約為次中腹板的75%左右，截面外緣正應力約為次中腹板的40%左右；對墩頂截面，邊腹板處頂板正應力為次中腹板的92%，截面外緣正應力為次中腹板的73%。說明中墩頂截面橫橋向的正應力變化幅度較跨中截面要小，這是由于支座截面橫向剛度較大，跨中截面橫向剛度相對較小，導致跨中截面比支座截面剪力滯效應更明顯。

3.2 橫向大懸臂鋼箱梁橋正應力和剪應力分析

對橫向大懸臂鋼箱梁橋，運營階段的力學性能非常重要，因此本文選取橋梁的關鍵控制截面，進行運營狀態下的連續鋼箱梁橋正應力和剪應力分析，以獲得標準組合作用（恒載+活載+基礎變位+溫度）下橫向大懸臂鋼箱梁橋截面上、下緣的最大正應力和最大剪應力分布規律。計算結果見表2和表3。

表2 標準組合作用下各控制截面橫橋向鋼箱梁最大正應力（單位：MPa）

表3 標準組合作用下各腹板最大剪應力（單位：MPa）

從表2可以看出，在運營階段，鋼箱梁橋同一截面中腹板和次中腹板處頂、底板最大正應力變化較小，分布較為均勻，但邊腹板處頂、底板最大正應力與中腹板處最大正應力相差較大，與恒載作用內力變化趨勢一致。

表3表明，在鋼箱梁橋同一橫斷面處，中腹板和次中腹板最大剪應力基本相同，邊腹板最大剪應力相對較小，和頂、底板正應力變化一樣，各腹板最大剪應力存在一定的不均勻性。這是由于支座布置在中腹板和次中腹板之間，考慮支承剛度后，中腹板和次中腹板的剛度遠大于邊腹板，中腹板和次中腹板的最大剪應力也比邊腹板大，因此建議在設計中考慮不同腹板的應力變化規律，在鋼箱梁設計時根據受力情況選擇不同腹板厚度。

3.3 橫向大懸臂鋼箱梁橋變形分析

由于橫向大懸臂鋼箱梁橋處于橫向大懸臂狀態，在標準組合作用下，控制截面不同部位的變形也不完全相同，因此本文對控制截面中腹板、次中腹板、邊腹板處的變形進行分析，掌握鋼箱梁橋沿橋跨和橋寬方向的變形分布特征。橋梁控制截面豎向位移見表4。

表4 標準組合作用下各部位處最大豎向位移（單位：mm）

從表4可以看出，在標準組合作用下，鋼箱梁跨中截面處各部位豎向最大位移基本一致；在墩頂截面處，邊腹板與中腹板、次中腹板處豎向最大位移有明顯差異，邊腹板豎向位移較大，比中腹板大10 mm。說明支座間距較小，橫向大懸臂狀態對鋼箱梁結構變形具有一定的影響。邊腹板豎向變形越大，其參入縱向受力的效應越小。在設計中有必要對橫梁施加預拱。

4 結論

（1）恒載作用下，鋼箱梁橫橋向頂板正應力衰減幅度較大，應力分布不均勻，橫向大懸臂鋼箱梁橋存在明顯的剪力滯后效應。中墩頂截面橫橋向的正應力變化幅度較跨中截面要小，這是由于支座截面橫向剛度較大，跨中截面橫向剛度相對較小，導致跨中截面比支座截面剪力滯效應更明顯。建議設計中，根據鋼箱梁橋的剪力滯效應，加強鋼箱梁橫向剛度。

（2）標準組合作用下，鋼箱梁橋同一截面中，邊腹板處頂、底板最大正應力與中腹板處最大正應力相差較大；中腹板和次中腹板的最大剪應力比邊腹板大，各腹板最大剪應力存在一定的不均勻性，因此建議在設計中考慮不同腹板的應力變化規律，在鋼箱梁設計時根據受力情況選擇不同腹板厚度。

（3）鋼箱梁跨中截面各部位豎向最大位移基本一致；在墩頂截面處，邊腹板豎向位移比中腹板大，說明支座間距較小、橫向大懸臂狀態對鋼箱梁結構變形具有一定的影響。在設計中除對該類型箱梁縱向設置預拱外，有必要對橫梁設置橫向預拱。

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