斜橋斜率對薄殼鋼箱梁受力影響的對比研究

陳 宇，賀文彪，賈艷敏，李 晶，李軍衛，胡金萍

(1.黑龍江東方學院，哈爾濱 150086;2.東北林業大學 土木學院，哈爾濱 150040)

鋼箱梁橋有很多優越的特性使其廣泛的應用在簡支梁橋、連續梁橋以及大跨度的結構。對通航河流上的橋梁，其墩臺沿水流方向的軸線應與最高通航水位時的主流方向一致[1]。考慮到與周圍建筑物和環境的協調，減小水中墩阻水能力以及滿足通航要求等因素，使得斜橋在中小橋涵設計中的比重增大[2]，并且主要應用于對線型要求較高的高速公路、林區道路及城市立體交通等。鋼箱梁在抵抗彎矩和扭矩方面非常有效，所以這種結構形式很適合于斜梁橋。

斜橋區別于正橋，主要是指其橋梁軸線的法線與支承邊(或支座連線)不平行，其夾角(銳角)為斜度，用于表征斜橋斜的程度。連續斜梁橋的支座布置有：全橋各個橋墩(臺)上均布置抗扭雙支座；一個聯中的兩端橋墩(臺)上設置抗扭支座，中墩均為單點鉸支座；一部分中墩為單點鉸支座，其余均為抗扭雙支座[3]。有時為了與橋跨兩側的正橋相連，連續斜梁橋的支座布置如圖1所示。

圖1 支座布置

在斜橋方面，各國關于箱梁截面的研究較少[2-4]，并且荷載類型、結構形式和施工工藝等方面與國外有關研究有較大的差別。故本文在試驗模型的基礎上，對不同斜率的薄殼連續鋼箱梁的受力進行對比分析。

1 鋼箱梁試驗與有限元模擬

1.1 試驗模型

箱梁橋試驗模型由厚度為4 mm的Q235鋼板焊成的單室箱梁。三跨連續梁總長4 m，計算跨徑1+2+1 m，梁高0.12 m，橋面寬0.272 m，加勁肋與橫隔板間距0.25 m，如圖2所示。

在箱梁頂面、底面和腹板布置了17個測點。在主跨跨中和1/4、1/8、3/8截面處，邊跨跨中均布置了測點，各測點布置如圖3所示。試驗采用油壓千斤頂對試件主跨跨中分級加載，利用YJ 225靜態電阻應變儀測定應變值。將百分表對稱地布置在計算截面，觀測箱梁加載時的撓度變化。

圖2 試驗梁縱斷面

試驗建立了0°、15°、30°、45°四種不同斜交角的支座支撐條件，這與橋墩橋臺橫向軸線與橋梁縱向斜交的情況十分相似。

圖3 測點布置

1.2 有限元模擬

利用ABAQUS的殼單元模擬鋼箱梁截面。特殊用途殼單元分為兩類：薄殼單元和厚殼單元。當厚度和跨度之比小于1/15時，可忽略殼體得橫向剪切變形，認為是薄殼問題，即：垂直于殼中而的平而在變形中保持垂直于殼中面[6]。模型的鋼板厚度僅為4 mm，且梁體以受彎為主，鋼板在變形中橫向剪切變形的影響極小，故屬于薄殼問題。本文采用殼單元S4R5模擬鋼板，實體單元C3D8模擬支座的墊條。

為避免對塑性材料直接施加點荷載或集中力，施加荷載時，集中力施加在與頂板建立耦合約束的參考點上[7]。

計算時計入幾何非線性和材料非線性，幾何非線性問題的模擬只需在前處理分析步中設定幾何非線性的分析項即可實現，材料非線性問題的模擬利用低碳鋼應力-應變曲線數值為被測對象的名義應力和名義應變[8-10]。

2 計算結果

以測點16為例，斜率為0°、15°、30°、45°四種情況下，在主跨橋面中心的集中力作用下的撓度和底板應變計算結果見表1。從試驗數據與有限元計算結果來看，ABAQUS的薄殼單元和通過改變支撐方向的支座實體單元可以很好的模擬鋼箱梁斜橋的靜力力學行為，有限元計算結果與試驗數據吻合較好。

圖4 ABAQUS有限元模型

表1 斜率為0°情況

表2 斜率為15°情況

表3 斜率為30°情況

表4 斜率為45°情況

3 受力對比分析

正橋分別在中心荷載和偏心荷載為25 kN作用下，跨中附近的箱梁底板和頂板應力較小，主跨最大撓度為2.9 mm，連續鋼箱梁處于彈性工作狀態。

正橋在中心荷載作用下，當荷載加至50 kN時，跨中附近箱梁底板部分區域已經達到屈服強度，如圖5所示，主跨最大撓度為12 mm；在偏心

荷載作用下，當荷載加至40kN時，跨中箱梁底板和頂板部分區域都達到了屈服強度，如圖6所示，主跨最大撓度為15 mm。美國鋼結構建筑與橋梁設計標準中撓度準則規定的鋼梁撓度限值為計算跨徑的1/800[11-12]。故在中心荷載為50 kN以及偏心荷載為40 kN的作用下，鋼材已經出現了明顯的塑性性質，構件撓曲變形明顯，連續鋼箱梁達到了承載能力極限狀態并超過了正常使用極限狀態。

圖5 中心荷載作用下的ABAQUS應力云圖

圖6 偏心荷載作用下的ABAQUS應力云圖

在相同的工況下，斜橋彈性工作階段和塑性工作階段時的底板應力、腹板應力及主跨最大撓度如圖7所示。

在彈性工作狀態下與正橋相比：由圖7(a)、(d)可以看出，靠近斜支撐區域的底板應力在斜率為30度時最大，偏差為86%，其他斜率下都有不同程度的增大；靠近跨中區域的底板應力隨斜率的增大而減小，最大偏差為15.6%；由圖7(b)、(e)可以看出，跨中腹板應力隨斜率增大而減小，最大偏差為15.5%；由圖7(c)、(f)可以看出，斜率超過15度后跨中撓度隨斜率的增大而減小，最大偏差為17.2%。此外，斜率為15度時與正橋的計算結果十分接近，應力計算結果略有增大，偏差均在8%以內；撓度也十分接近，偏差在10%以內。

在塑性工作狀態下與正橋相比：

由圖7(g)、(j)可以看出，靠近斜支撐區域的底板應力在中心荷載作用時隨斜率的增大而減小，最大偏差為31.8%，在偏心荷載作用時斜率為30度時最大，偏差為94%，其他斜率下都有不同程度的增大；靠近跨中區域的底板應力隨斜率的增大而減小，最大偏差為10.6%；由圖7(h)、(k)可以看出，跨中腹板應力在中心荷載作用時斜率為15度時最大，偏差為14.8%，在斜率為30度時最小，偏差為47.4%；跨中腹板應力在偏心荷載作用時斜率為45度時最大，偏差為9.8%。由圖7(i)、(l)可以看出，撓度在斜率為45度時最小，最大偏差為38.5%，在斜率為15度時最大，最大偏差為12.5%。

4 結 論

本文通過試驗數據采集并結合有限元模擬，比較了三跨連續鋼箱梁在不同斜橋斜率下的受力，得到以下結論。

圖7 不同斜率下的受力對比

(1)ABAQUS的薄殼單元和通過改變支撐方向的支座實體單元可以很好的模擬鋼箱梁斜橋的靜力力學行為，有限元計算結果與試驗數據吻合較好。

(2)在彈性工作狀態下，斜橋斜率對鋼箱梁底板應力影響很大，最大偏差達86%；對腹板應力影響相對較小，最大偏差為15.5%；斜橋斜率對撓度影響較大，最大偏差達17.2%。

(3)斜率為15度時，在彈性工作狀態下與正橋的計算結果十分接近，應力計算結果略有增大，偏差均在8%以內；撓度也十分接近，偏差均在10%以內。但是在塑性工作狀態下的應力和撓度與正橋有較大的偏離。

(4)在塑性工作狀態下，斜橋斜率對鋼箱梁底板應力影響很大，最大偏差達94%，對腹板應力影響較大，最大偏差為47.4%，對撓度的影響較大，最大偏差為38.5%。

(5)斜率對彈性階段鋼箱梁應力分布的影響不顯著但對撓度影響較為明顯；斜率對塑性階段鋼箱梁應力分布和撓度影響均較為明顯。

綜合考慮了斜橋斜率、彈塑性工作階段、偏心荷載等，本文試驗中連續斜梁橋受力極為復雜，主要體現在應力大小、分布以及撓度變形與斜率之間的非線性關系。以上結論將有助于斜橋設計與計算的進一步研究。

【參 考 文 獻】

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