橫向大懸臂鋼箱梁橋力學(xué)性能分析

胡志禮

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430023）

0 前言

現(xiàn)代城市車輛增長(zhǎng)迅速，交通流量日益加大，建立高架橋網(wǎng)絡(luò)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(duì)周邊交通和環(huán)境影響較大，故施工便捷、結(jié)構(gòu)性能好、環(huán)境影響小的鋼箱梁橋在城市高架橋中應(yīng)用較為廣泛。以武漢市為例，近5年，二環(huán)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(dá)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(jié)構(gòu)，因此，明確大懸臂寬鋼箱梁橋的力學(xué)性能，為設(shè)計(jì)和施工奠定理論基礎(chǔ)，是非常必要的。

目前，鋼箱梁橋力學(xué)性能的研究主要針對(duì)橋?qū)挒?～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(duì)支座橫向間距?。? 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?yàn)楸尘埃捎肕idas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(nèi)力和變形分布規(guī)律，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)該類橋梁的方法，為今后類似橋梁的建設(shè)提供參考。

1 工程背景

武漢市二環(huán)線漢口段位于武漢市漢口發(fā)展大道上，其中高架橋全長(zhǎng)達(dá)11.5 km。由于地面交通的影響，在跨越道口均采用節(jié)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(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)度達(dá)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(jiàn)圖1。

圖1 鋼箱梁橋平面布置圖

1.1 箱梁截面構(gòu)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(cè)懸臂各4.0 m。由于該聯(lián)位于平曲線段，箱梁頂?shù)装迤叫?，設(shè)2.0%單向橫坡。

箱梁頂?shù)装搴?6 mm，在支點(diǎn)橫梁區(qū)域加厚至24 mm。箱梁兩外側(cè)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(diǎn)橫梁附近區(qū)域加厚至36 mm。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖2。

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(zhǎng)度達(dá)10.0 m。本聯(lián)箱梁為典型的橫向大懸臂寬鋼箱梁結(jié)構(gòu)。支點(diǎn)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 箱梁支點(diǎn)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(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1.1。

鋼板采用Q345qC，其彈模E＝2.0×105MPa。

1.3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋梁設(shè)計(jì)荷載為：城-A；

（2）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；

（3）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

（4）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：橋梁抗震設(shè)防類別為B類，基本地震動(dòng)加速度峰值0.05 g;

（5）溫度變化：-15℃～45℃。

2 鋼箱梁橋計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

運(yùn)用Midas Civil 2010有限元軟件，建立三跨連續(xù)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(chǔ)不均勻沉降等荷載作用，分析正常使用極限狀態(tài)連續(xù)鋼箱梁橋的空間力學(xué)性能。具體有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 大懸臂寬鋼箱梁橋有限元計(jì)算模型

2.2 計(jì)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(jié)構(gòu)性能，本文對(duì)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(yīng)力和變形進(jìn)行分析?？刂平孛婢唧w布置見(jiàn)圖5。

圖5 箱梁立面布置圖（單位：mm）

3 連續(xù)鋼箱梁橋內(nèi)力和變形分析

3.1 寬鋼箱梁橋剪力滯效應(yīng)分析

由于連續(xù)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(yīng)力分布，以明確橫橋向剪力滯效應(yīng)，為橋梁設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

由于鋼箱梁橫截面為對(duì)稱截面，因此選取鋼箱梁截面的一半作為研究對(duì)象，分析鋼箱梁橋頂板的正應(yīng)力分布情況，探明其剪力滯的變化規(guī)律。鋼箱梁橋控制截面正應(yīng)力分析點(diǎn)為沿橋?qū)挿较虻牟煌恢?，?duì)每個(gè)截面橫橋向選擇7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，其中1、3、5點(diǎn)分別位于中腹板、次中腹板、邊腹板處，具體分布見(jiàn)圖6。

圖6 正應(yīng)力分析點(diǎn)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(yīng)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(yīng)力衰減的幅度較大，應(yīng)力分布不均勻，說(shuō)明橫向大懸臂鋼箱梁橋存在明顯的剪力滯后效應(yīng)。

表1 恒載作用下鋼箱梁各控制截面橫橋向頂板正應(yīng)力（單位：MPa）

對(duì)兩個(gè)跨中截面，邊腹板處頂板正應(yīng)力均約為次中腹板的75%左右，截面外緣正應(yīng)力約為次中腹板的40%左右；對(duì)墩頂截面，邊腹板處頂板正應(yīng)力為次中腹板的92%，截面外緣正應(yīng)力為次中腹板的73%。說(shuō)明中墩頂截面橫橋向的正應(yīng)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(duì)較小，導(dǎo)致跨中截面比支座截面剪力滯效應(yīng)更明顯。

3.2 橫向大懸臂鋼箱梁橋正應(yīng)力和剪應(yīng)力分析

對(duì)橫向大懸臂鋼箱梁橋，運(yùn)營(yíng)階段的力學(xué)性能非常重要，因此本文選取橋梁的關(guān)鍵控制截面，進(jìn)行運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的連續(xù)鋼箱梁橋正應(yīng)力和剪應(yīng)力分析，以獲得標(biāo)準(zhǔn)組合作用（恒載+活載+基礎(chǔ)變位+溫度）下橫向大懸臂鋼箱梁橋截面上、下緣的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下各控制截面橫橋向鋼箱梁最大正應(yīng)力（單位：MPa）

表3 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下各腹板最大剪應(yīng)力（單位：MPa）

從表2可以看出，在運(yùn)營(yíng)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(yīng)力變化較小，分布較為均勻，但邊腹板處頂、底板最大正應(yīng)力與中腹板處最大正應(yīng)力相差較大，與恒載作用內(nèi)力變化趨勢(shì)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(yīng)力基本相同，邊腹板最大剪應(yīng)力相對(duì)較小，和頂、底板正應(yīng)力變化一樣，各腹板最大剪應(yīng)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(yuǎn)大于邊腹板，中腹板和次中腹板的最大剪應(yīng)力也比邊腹板大，因此建議在設(shè)計(jì)中考慮不同腹板的應(yīng)力變化規(guī)律，在鋼箱梁設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)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(tài)，在標(biāo)準(zhǔn)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(duì)控制截面中腹板、次中腹板、邊腹板處的變形進(jìn)行分析，掌握鋼箱梁橋沿橋跨和橋?qū)挿较虻淖冃畏植继卣鳌蛄嚎刂平孛尕Q向位移見(jiàn)表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shuō)明支座間距較小，橫向大懸臂狀態(tài)對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)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(yīng)越小。在設(shè)計(jì)中有必要對(duì)橫梁施加預(yù)拱。

4 結(jié)論

（1）恒載作用下，鋼箱梁橫橋向頂板正應(yīng)力衰減幅度較大，應(yīng)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(yīng)。中墩頂截面橫橋向的正應(yīng)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(duì)較小，導(dǎo)致跨中截面比支座截面剪力滯效應(yīng)更明顯。建議設(shè)計(jì)中，根據(jù)鋼箱梁橋的剪力滯效應(yīng)，加強(qiáng)鋼箱梁橫向剛度。

（2）標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力與中腹板處最大正應(yīng)力相差較大；中腹板和次中腹板的最大剪應(yīng)力比邊腹板大，各腹板最大剪應(yīng)力存在一定的不均勻性，因此建議在設(shè)計(jì)中考慮不同腹板的應(yīng)力變化規(guī)律，在鋼箱梁設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)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(shuō)明支座間距較小、橫向大懸臂狀態(tài)對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)變形具有一定的影響。在設(shè)計(jì)中除對(duì)該類型箱梁縱向設(shè)置預(yù)拱外，有必要對(duì)橫梁設(shè)置橫向預(yù)拱。

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