某橫向大懸臂連續(xù)鋼箱梁計(jì)算與分析

張恩辰

(合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230041)

在城市高架道路設(shè)計(jì)中，特別在交通繁忙的路口建造立交橋，受施工條件、工期、橋梁總體美觀等多方面因素的限制，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)多采用跨越能力較強(qiáng)，施工快捷的連續(xù)鋼箱梁方案。這些鋼箱梁受橋下空間的限制，墩柱間距和箱梁支座橫向間距均較小，而橋面寬度均在25 m左右(雙向六車道)，形成典型的橫向大懸臂扁平薄壁鋼箱梁斷面結(jié)構(gòu)，因此明確大懸臂扁平薄壁鋼箱梁的力學(xué)性能，為設(shè)計(jì)總結(jié)理論基礎(chǔ)十分必要。常見扁平鋼箱梁斷面布置如圖1所示。

圖1 常見扁平鋼箱梁斷面布置圖

薄壁扁平鋼箱梁(梁高與橋?qū)捴群苄?是由頂板、底板、橫隔板和縱隔板等板件通過全焊接的方式連接而成，扁平鋼箱梁的頂?shù)装逋ㄟ^橫隔板及縱隔板等橫縱向聯(lián)結(jié)桿件聯(lián)成整體受力體系[1]。

1 工程實(shí)例

某城市高架橋第28聯(lián)跨越現(xiàn)狀主干路，采用三跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，聯(lián)長127 m，跨徑布置為36 m+55 m+36 m=127 m，橋?qū)?5 m。

主梁采用單箱三室斜腹板鋼箱梁截面，梁高2.8 m；箱梁跨中標(biāo)準(zhǔn)截面頂板、腹板厚16 mm，底板厚20 mm；支點(diǎn)段頂板、腹板加厚至20 mm，底板加厚至24 mm。頂、底板間距700 mm設(shè)置一道加勁肋，加勁肋采用U形肋，板厚8 mm，肋高250 mm。腹板間距600 mm設(shè)置一道板肋，板厚12 mm，肋高150 mm。箱梁沿縱向間距2 m設(shè)置一道橫隔板，板厚14 mm。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 1/2標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2 計(jì)算模型建立

主梁縱向結(jié)構(gòu)分析采用基于平截面假定的空間桿系有限元分析方法，整體結(jié)構(gòu)分析程序采用MIDAS Civil 2019。計(jì)算模型依據(jù)實(shí)際尺寸建立空間梁單元[2,3]。主梁為箱形截面，按實(shí)際輸入截面。邊界條件的約束情況按實(shí)際支座位置采用雙支座模擬。整體結(jié)構(gòu)分析模型如圖3所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)分析模型圖

設(shè)計(jì)荷載[4]：

(1)主梁自重：主梁結(jié)構(gòu)自重計(jì)算采用容重78.5 kN/m3，程序自動(dòng)計(jì)算。

(2)二期恒載：包括防撞護(hù)欄與橋面鋪裝，以均布荷載計(jì)入。

(3)可變荷載：汽車荷載，城-A級，雙向六車道。

(4)基礎(chǔ)變位作用：各墩考慮支座沉降5 mm；組合后按最不利情況加載。

(5)溫度變化：結(jié)構(gòu)按整體溫升30℃，整體溫降30℃；梯度溫度取值按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)執(zhí)行。

3 計(jì)算內(nèi)容及結(jié)果分析

3.1 縱向計(jì)算分析

鋼箱梁沿縱向整體受力，其受力特性為連續(xù)梁特性，跨中正彎矩最大，支座負(fù)彎矩最大。采用空間單梁模型，計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示[5]。

圖4 拉/壓彎構(gòu)件腹板應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《鋼規(guī)》公式5.3.1-3驗(yàn)算：τd=51.238 MPa≤fv d=155 MPa，f=0.553≤1，滿足規(guī)范要求。

圖5 拉/壓彎構(gòu)件腹板最小厚度驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《鋼規(guī)》公式5.3.3-1驗(yàn)算：tmin=7.634 mm≤tw=16.000 mm，滿足規(guī)范要求。

圖6 拉/壓彎構(gòu)件翼緣板彎曲正應(yīng)力驗(yàn)算包絡(luò)圖

圖7 拉/壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定驗(yàn)算包絡(luò)圖

按照《鋼規(guī)》公式5.4.1-1驗(yàn)算：σ=148.814 MPa≤fd=270 MPa，滿足規(guī)范要求。

按照《鋼規(guī)》公式5.3.2-1～2、5.4.2-1～4驗(yàn)算：min(σsd,yi，σsd,zi)=148.814 MPa≤fd=270 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2 抗傾覆驗(yàn)算

按《鋼規(guī)》第4.2.2條規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)采用整體式截面的梁橋在持久狀況下結(jié)構(gòu)體系不應(yīng)發(fā)生改變，并應(yīng)按下列規(guī)定驗(yàn)算橫橋向抗傾覆性能[5]：

(1) 在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

(2) 當(dāng)整聯(lián)只采用單向受壓支座支承時(shí)，符合下式要求：

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 傾覆驗(yàn)算-穩(wěn)定系數(shù)表格

按照《橋規(guī)》第4.1.8條驗(yàn)算：支座反力Fz>0，滿足規(guī)范要求。橫向抗傾覆軸穩(wěn)定性系數(shù)(最小值)k=5.571>k=2.500，滿足規(guī)范要求。

3.3 撓度驗(yàn)算

按《鋼規(guī)》第4.2.3條規(guī)定，計(jì)算豎向撓度時(shí)， 應(yīng)按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法并應(yīng)采用不計(jì)沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0。計(jì)算撓度值不應(yīng)超過表4.2.3規(guī)定的限值[5],見表2、表3。

表2 豎向撓度限值

表3 撓度驗(yàn)算及預(yù)拱度

按照《橋規(guī)》第6.5.3條驗(yàn)算[6]：各梁孔跨中節(jié)點(diǎn)汽車荷載(不計(jì)沖擊系數(shù))和人群荷載頻遇組合最大撓度設(shè)計(jì)值fd均<最大撓度允許值fn，滿足規(guī)范要求。

3.4 疲勞驗(yàn)算

按《鋼規(guī)》第5.5.4、5.5.5條規(guī)定，分別采用疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ、Ⅱ進(jìn)行驗(yàn)算[5]，如圖8、圖9所示。

圖8 疲勞驗(yàn)算正應(yīng)力包絡(luò)圖

圖9 疲勞驗(yàn)算剪應(yīng)力包絡(luò)圖

按照《鋼規(guī)》第5.5.4條驗(yàn)算：疲勞正應(yīng)力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

按照《鋼規(guī)》第5.5.4條驗(yàn)算：疲勞剪應(yīng)力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本文以某城市高架三跨連續(xù)鋼箱梁為工程實(shí)例，采用MIDAS Civil有限元軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，通過縱向計(jì)算分析、腹板應(yīng)力及構(gòu)造計(jì)算分析、翼緣應(yīng)力計(jì)算分析、整體穩(wěn)定驗(yàn)算分析、剛度驗(yàn)算分析、抗傾覆驗(yàn)算分析、疲勞驗(yàn)算分析，得到了各方面的主要結(jié)論，總結(jié)了常規(guī)橫向大懸臂扁平薄壁鋼箱梁的一般設(shè)計(jì)及計(jì)算流程，其主要結(jié)論對同類型橋梁的設(shè)計(jì)具有參考意義。