大跨斜拉橋鋼箱梁局部應力分析及加固措施

董建松

(福建省交通建設質量安全監督局，福州 350001)

1 引言

自20 世紀40 年代問世以來，正交異性鋼橋面OSD(Orthotropic Steel Deck) 已經成為現代鋼橋的重要構件形式和主要標志[1]。由于具有自重輕、承載力高、適用范圍廣等突出優點， 正交異性鋼橋面板已經成為大跨度橋梁的首選橋面板結構，在中等跨度橋梁、景觀橋梁、梁高受到嚴格限制的城市和市政橋梁、 既有橋梁加固工程等條件下同樣具有較強的競爭力。 目前世界各國已建成的采用正交異性鋼橋面板的各類橋梁已超過1500 座，中國正在運營和規劃中的該類型橋梁數量已達200 余座， 該結構的推廣和應用大大推動了橋梁工程向大跨、 重載和結構造型多樣化等方向發展[2]。

正交異性鋼箱梁主要由頂板、縱肋和橫隔板組成，受力復雜，容易產生應力集中現象[3-4]。正交異性鋼箱梁在車輛長期荷載作用下，在頂板、橫隔板以及縱肋連接的關鍵部位易出現疲勞損壞，從而影響橋梁的正常使用壽命。因此， 建立合理的計算模型分析正交異性鋼箱梁的受力狀態是十分必要的。

2 工程概況

長門特大橋是項目中重要的控制性工程， 主橋全長848m，結構形式為(35+44+66)m+550m+(66+44+35)m 雙塔雙索面混合梁斜拉橋，如圖1 所示。邊跨采用混凝土箱梁中跨采用鋼箱梁，鋼與混凝土分界線距索塔中心線24m。主橋結構為七跨對稱混合梁斜拉橋， 邊跨及主跨索塔附近為混凝土主梁，中跨大部分為鋼主梁。主梁中跨采用封閉扁平流線型鋼箱梁、邊跨采用混凝土箱梁，為單箱四室箱梁，雙向預應力結構。橋梁全寬38.5m(包括兩側斜拉索錨固區及風嘴)，梁高3.2m，至索塔區縮窄為35.5m。

圖1 長門特大橋主橋立面布置圖

3 計算模型

3.1 有限元模型建立

首先采用橋梁結構專用程序MIDAS Civil 對大橋進行整體計算。整體分析有限元模型中，活載計算時斜拉索采用桁架單元模擬，加勁梁及塔、墩等構件均采用空間梁單元模擬，主梁與拉索間的連接采用剛臂的方式實現。長門特大橋整體分析有限元模型如圖2 所示。 首先利用MIDAS 軟件分析得到橋梁整體模型的應力和位移，然后利用abaqus 軟件建立橋梁的子結構模型如圖3 所示，單元類型采用殼單元，模型共有72510 個單元，92053 個結點。 然后將MIDAS 計算得到的位移作為abaqus 子結構的邊界條件，進行橋梁局部應力有限元分析。

圖2 整體有限元模型

圖3 abaqus 子結構有限元模型

3.2 計算參數

混凝土箱梁及主塔： 主塔及混凝土主梁采用C55 混凝土，容重γ=26kN/m3；彈性模量EC=3.55×104MPa。 鋼箱梁彈性模量為2.06×108kN/m2，泊松比0.3，斜拉索抗拉強度為1770MPa，彈性模量1.95×105MPa。

3.3 荷載及邊界條件

進行整體模型分析時，斜拉索與主塔及主梁固結。塔梁固結， 主梁與輔助墩及過渡墩頂支座采用一般支座約束模擬。進行局部詳細應力分析時，將整體模型計算得到的位移作為子模型的邊界條件。

本模型僅考慮在車輛荷載作用下鋼箱梁的位移情況， 由于Midas Civil 軟件在分析車輛荷載結果時自動依據目標節點位移的影響線的最不利位置來排布車輛荷載，僅能輸出目標節點位移的最大或最小值，而不能同時輸出在目標節點最不利情況下其他節點的位移情況。 故而需要利用軟件中 “將移動荷載工況轉化為靜力荷載工況”的功能，將某一結點位移最不利情況下所受的車輛荷載轉化為靜力荷載， 得到在橋身受相同荷載下各節點的位移。 本文取橋梁跨中節點位移的最不利情況所受的荷載作為分析的荷載，受力情況如圖4 所示：

圖4 模型加載示意圖

4 計算結果與分析

首先利用Midas 軟件對橋梁進行整體受力分析，得到了橋梁的內力和變形。 圖5 和圖6 分別給出了橋梁的整體變形圖和橋面的撓度曲線。從圖5 可以看出，橋梁整體模型中，橋面和立柱的變形較大。由于立柱兩側拉鎖受力不對稱，導致兩邊立柱產生向內側的變形。從橋面的撓曲線圖可以看出， 從支座到跨中橋梁的豎向位移基本呈線性變化，整個橋梁的最大豎向位移發生在跨中位置，最大豎向位移為0.615m。

將上述Midas 計算位移結果作為abaqus 子模型的邊界條件，對橋梁局部進行詳細應力分析。圖7 給出了橋面的mises 應力分布，從圖中可以看出，橋面的最大應力發生在分布、荷載作用線上，最大應力達86.1MPa。 圖8 給出了輪軸線上的mises 應力隨縱向位置的變化關系，從計算結果可以看出， 荷載作用線與橫隔板交界處應力出現突變，橋面最大應力發生在橫隔板外側。

圖5 橋梁整體邊形圖

圖6 橋面的撓度曲線

圖7 鋼橋面板mises 應力分布圖

圖8 鋼橋面板mises 應力隨縱向位置變化關系

圖9 給出了中間橫隔板和外側橫隔板的mises 應力分布，從圖中可以看出，外側橫隔板的最大應力發生在下方拐角處與底板接觸部位， 最大應力為13.9MPa，橫隔板中間部位應力較小，最小應力為0.18MPa；內側橫隔板的最大應力發生在圓孔附近，最大應力為9.8MPa，橫隔板兩側應力較小，最小應力值為0.39MPa。 橫隔板缺口處是一個關鍵部位， 因此對缺口處重新建立局部有限元模型， 對車輛經過時車輪集中荷載作用進行模擬，得到了缺口處的應力分布如圖9 所示，會產生明顯的應力集中現象。

圖9 橫隔板mises 應力分布圖

圖10 給出了內側橫隔板的正應變分布圖，從圖中可以看出，橫隔板最大變形發生在與U 肋接觸部位，會產生拉伸變形，最大值為29.6×10-6；在開口附近會產生較大的壓縮變形，最大應變值為21.2×10-6。 圖11 給出了縱肋頂板正應變隨縱向位置變化圖，最大正應變為壓應變，發生在橫隔板外側，最大值為307×10-6；在橫隔板內側產生最大拉應變，最大拉應變值為-94.6×10-6。

圖10 內側橫隔板局正應變

圖11 縱肋頂部應變分布

圖12 縱肋mises 應力分布

圖12 給出了集中荷載附近縱肋的mises 應力分布，從計算結果個可以看出， 縱肋的最大應力發生在與分布荷載作用線重合區域， 圖中給出了u 肋mises 應力隨縱向位置的變化關系。 圖13(a)是縱肋底部應力隨縱向位置變化規律，從圖中可以看出，U 肋底部最大應力發生在與內側橫隔板接觸部位，最大應力為33.5MPa，最小應力發生在集中力作用位置，最小應力值為1.6MPa。 圖13(b)給出的是縱肋與橋面接觸位置mises 應力隨縱向位置變化關系， 從圖中可以看出，u 肋頂部的最大mises 應力發生在u 肋與橫隔板接觸部位，最大應力達72.8MPa。 在集中力作用點附近出現最小應力，最小應力值為4.78MPa。

5 加固措施

由于鋼箱梁受力復雜，容易產生疲勞破壞，從而影響車輛的安全，帶來較大的經濟損失，因此有必要研究鋼箱梁的加固方法進行研究總結。 目前國內外對鋼箱梁加固方法有了一定的研究成果[5-7]，結合本研究前面得到的靜力學計算結果，對鋼箱梁提出如下加固措施：

(1)通過靜力分析可以看出，橋面與橫隔板接觸處產生最大應力達86.1MPa。 因此為了使應力分散，減小應力集中現象，可以適當減小橫隔板間距，并增加橫隔板附近區域橋面的厚度。

圖13(a)縱肋底部mises 應力隨縱向位置變化關系

圖13(b)縱肋頂部mises 應力隨縱向位置變化關系

(2)橫隔板人孔附近產生較大的應力和應變，因此很容易在此區域產生疲勞破壞， 為了改善橫隔板的力學性能，可以在人孔附近加桁架支撐，以減小人孔附近的應力和變形。

(3) 由于橫隔板缺口處出現明顯的應力集中現象，因此可以考慮對缺口采用加強鋼板補強， 鋼板與橫隔板之間通過高強度螺栓連接。

6 結語

建立了長門特大橋全橋模型以及子結構模型， 分析了在車輛荷載作用下橋的局部詳細應力， 得到了橋的最大應力發生部位， 該計算結果可以為橋梁的疲勞分析和加固方案提供一定的依據； 對橋梁的加固措施進行了總結，為橋梁的維護提供了參考。