大跨度寬幅鋼箱梁橋外伸橫梁有限元分析

劉 勇，翟志雄，郭俊峰

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430015）

文章以武漢光谷大道南延（三環線—外環線）工程第一標段主線高架橋GN4聯四跨連續鋼箱梁為背景，采用Midas有限元軟件，先建立連續鋼箱梁橋縱向單梁模型，提取荷載，然后單獨建立外伸橫梁精細化模型，并建立全橋實體模型與以上桿系模型計算結果進行對比，開展連續鋼箱梁橋外伸橫梁有限元分析。分析成果為大跨度、寬幅鋼箱梁橋的設計提供參考。

1 設計概況

1.1 工程概況

武漢光谷大道南延（三環線—外環線）工程第一標段光谷大道主線高架橋GN4聯跨徑布置為（45+67+70+46.5）m=228.5m的四跨連續鋼箱梁橋，其中GN15、GN16號墩為避開地鐵站，橋墩及樁基布置在橋梁橫斷面外側，其中GN15兩墩柱中心的距離為31.5m，對應該支點處外伸橫梁總長為33.5m；GN16兩墩柱中心的距離為31.2m，對應該支點處外伸橫梁總長為33.2m。平面布置如圖1所示。

圖1 GN4聯平面布置示意圖（單位：m）

該聯主梁結構采用變截面連續鋼箱梁，頂板寬25.8m，底板寬18.9m，跨中梁高1.92m，墩頂3.42m，箱梁頂設置8cm鋼纖維砼現澆層。鋼纖維砼通過剪力釘和鋼箱梁形成整體。鋼箱梁跨中頂板、底板厚度為16mm，支點處加厚到24mm；跨中腹板厚度為16mm，在無外伸橫梁段支點處邊腹板及中腹板均加厚到20mm，在外伸橫梁處邊腹板加厚到24mm或30mm，中腹板加厚到20mm，鋼箱梁頂底板加勁肋均采用剛度較大的U型加勁肋。主梁標準橫斷面如圖2所示。

1.2 技術標準

圖2 GN4聯箱梁標準橫斷面圖（單位：m）

主要設計技術標準：（1）汽車設計荷載：城-A級；（2）設計時速：60km/h；（3）設計基準期：100年；（4）設計使用年限：100年；（5）設計安全等級：一級；（6）地震烈度：基本烈度6度，按7度設防，地震動峰值加速度0.05g；（7）設計環境類別：Ⅰ類；（8）結構重要性系數：γo=1.1。

2 連續鋼箱梁橋支點外擴橫梁精細有限元建模

2.1 全橋有限元單梁模型建立

運用Midas軟件建立全橋有限元單梁模型，主梁模型共163個節點和154個單元。通過建立全橋精細化單梁模型，根據結構實際受力狀況添加荷載與邊界條件等，達到模擬橋梁實際情形，武漢光谷大道南延（三環線—外環線）工程第一標段光谷大道主線高架橋GN4聯鋼箱梁橋有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元單梁計算模型

2.2 計算模型參數

鋼箱梁自重由程序自動計算，結合設計重量添加；鋼箱梁橋面鋪裝由上到下采用4cm厚SMA-13型瀝青瑪蹄脂+PC-3型乳化瀝青黏結層+6cm厚AC-20C型中粒式改性瀝青混凝土+橡膠乳化瀝青黏結層，而后下設橋面防水層+8cm厚C50鋼纖維砼，橋面鋪裝鋼纖維混凝土容重取25kN/m3，瀝青混凝土容重取24kN/m3。該橋增加荷載為114.4kN/m，雙側防撞護欄增加荷載為7.0kN/m；活載按雙向六車道布置；基礎不均勻沉降值取5mm計算；溫度荷載考慮整體升溫35℃，整體降溫30℃；梯度溫度參照BS5400英國規范進行分析。

2.3 GN15支點橫梁梁單元模型建立

考慮到GN15支點橫梁，受力最不利，故文章以GN15支點橫梁為例，運用Midas軟件建立外伸橫梁有限元精細化模型，橫梁重量按實際施加，同時將縱向計算時永久作用和除汽車、人群以外的可變作用引起的支反力標準值作為永久荷載平均施加在橫梁的各腹板位置，汽車、人群荷載在其實際作用范圍按最不利加載。具體外伸橫梁有限元精細化模型如圖4所示。

圖4 外伸橫梁有限元精細化模型（單位：kN）

2.4 GN15支點橫梁實體模型建立

運用Midas軟件建立GN15支點橫梁板單元模型，采用四節點板單元，按實際賦予厚度，橫梁重量按實際施加，同時將縱向計算時永久作用和除汽車、人群以外的可變作用引起的支反力標準值作為永久荷載平均施加在橫梁的各腹板位置，汽車荷載在其實際作用范圍按最不利加載。板單元模型與梁單元模型進行計算結果進行對比。

3 計算結果分析

3.1 主梁計算結果

根據模型計算結果提取截面的應力、撓度、空間變形特征，承載能力極限狀態主梁上下緣最大正應力包絡圖如圖5所示，豎向位移示意圖如圖6所示。

圖5 承載能力極限狀態主梁最大正應力包絡圖（單位：MPa）

圖6 正常使用狀態主梁豎向位移示意圖（單位：mm）

由計算結果可知，在承載能力極限狀態下，鋼箱梁最大正應力為139.8MPa，位于GN14支點橫梁處，主梁方向最大拉應力為113.1MPa；主梁最大撓度為187mm，故設計時設置160mm預拱度，滿足規范要求。

3.2 GN15支點橫梁梁單元模型計算結果

考慮到GN15支點橫梁受力最不利，故文章以GN15支點橫梁為例，分析支點外伸橫梁應力變化，GN15墩支點橫梁長33.5m，橋梁頂板寬25.8m，底板寬18.9m，該支點橫梁采用4片厚40mm的鋼橫隔板，結果如圖7所示。

圖7 承載能力極限狀態下GN15支點橫梁最大正應力包絡圖（單位：MPa）

由圖7所示可知，荷載最不利位置在外伸橫梁與主梁外側腹板交接處，在承載能力極限狀態下最大正應力為144.7MPa，在此位置主梁方向最大拉應力為92.5MPa，此位置受力復雜，應力較集中，故設計時橫梁鋼板厚度為40mm，支點兩側一定范圍內腹板、頂板和底板都應加厚。橫梁豎向撓度為26mm，滿足規范要求，需設置預拱度。

3.3 GN15支點橫梁板單元模型計算結果

根據GN15支點橫梁板單元模型計算結果，在荷載最不利位置在外伸橫梁與主梁外側腹板交接處，最大正應力為165.2MPa，結果大于梁單元模型。查看模型腹板應力發現，由于剪力滯效應，腹板應力不是等額分配，兩外側腹板應力大于中間三塊腹板，在外伸橫梁與主梁外側腹板交接處應力集中，受力最不利，故設計時應考慮外伸橫梁與主梁外側腹板交接處進行適當加強。

4 結束語

（1）采用Midas進行本文以武漢光谷大道南延（三環線—外環線）工程主線高架橋GN4聯進行有限元分析時，大跨度主梁、支點外伸橫梁變形、應力等受力狀況良好，分析結果合理可靠。（2）鋼箱梁最大正應力為139.8MPa，位于GN14支點橫梁處，主梁方向最大拉應力為113.1MPa；外伸橫梁荷載最不利位置在外伸橫梁與主梁外側腹板交接處，橫梁最大正應力為144.7MPa，在此位置主梁方向最大拉應力為92.5MPa；在實體板單元計算結果下，最大應力有所增大為165.2MPa，均滿足規范要求，且有足夠的壓應力儲備，主梁及支點外伸橫梁變形與受力狀況良好。（3）有外伸橫梁的連續鋼箱梁、外伸橫梁較長時，不僅主梁縱向需要設置預拱度，外伸橫梁橫向也需設置預拱度。（4）外伸橫梁由于跨度較大，對簡支橫梁橫向有很大的下撓，有外伸橫梁與縱向主梁在邊腹板的交界處由于剛度的不匹配，導致橫梁與邊腹板的交界區域受彎-扭耦合作用，通過模型分析可以看出，有外伸橫梁的支點處兩外側腹板應力明顯大于中間三塊中腹板，且實體模型計算的結果要大于桿系模型計算的結果，碰到類似這樣的結構，應對橫梁進行局部的實體分析，以保障結構安全。