寬幅斜拉橋鋼箱加勁梁空間變形分析

唐 釩，楊永清，何靈芝

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

隨著我國現(xiàn)代交通運輸?shù)男枨髷U(kuò)大，近年來大量橋梁在我國黃河、長江及海灣的交通大動脈上相繼建成，成為了溝通兩地的交通樞紐。其中大跨徑超寬幅的橋梁結(jié)構(gòu)被廣泛運用于橋梁設(shè)計中。斜拉橋因其具有較小的梁體內(nèi)彎矩，較低的建筑高度，較輕的結(jié)構(gòu)自重，良好的跨越能力，以及優(yōu)美的造型等優(yōu)勢，在橋梁設(shè)計中占有相當(dāng)大的比重。

近年來許多學(xué)者也對斜拉橋空間力學(xué)性能進(jìn)行了不同程度的研究，有學(xué)者展開了對超寬混凝土主梁斜拉橋的空間受力的分析工作，還有學(xué)者對寬幅鋼箱加勁梁斜拉橋的空間行為進(jìn)行了數(shù)值分析，著重分析了該橋鋼箱加勁梁部分的橫向變形。為了進(jìn)一步研究大跨徑超寬幅斜拉橋鋼箱加勁梁（以下簡稱“鋼箱梁”）的受力特點，本文結(jié)合某寬幅斜拉橋，采用ANSYS 建立有限元節(jié)段模型，進(jìn)行靜力計算分析，為同類型結(jié)構(gòu)的橋梁提供一定的設(shè)計參考。

1工程背景

某寬幅斜拉橋跨越某水道，該水道水面寬度2350m 左右，測時最大水深為9.5m，線路與水流方向夾角為84°。為了滿足其通航要求，選取設(shè)計方案為主跨3×340m，主橋采用58.5m＋116m＋3×340m＋116m＋58.5m 斜拉橋，全橋立面圖如圖1 所示。公鐵平層布置、橋塔中置，中間鋼箱梁可通行雙向兩車道鐵路列車、兩側(cè)鋼挑臂梁可承受雙向十車道公路荷載，橋面采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)形式。

圖1 全橋立面圖（單位：m）

該寬幅鋼箱梁頂寬49.6m，底寬17.6m，挑臂長16.0m，梁高4.676m（橫截面）。鋼箱梁橫截面如圖2 所示。公軌兩用大挑臂鋼箱梁是一種較新穎的結(jié)構(gòu)形式，在既有設(shè)計規(guī)范中少有涉及，其縱、橫向受力狀況不同于一般箱型結(jié)構(gòu)。因此，通過有限元理論分析，研究其靜力力學(xué)性能是非常有必要的。

圖2 車輛活載作用下鋼箱梁橫截面構(gòu)造圖（單位：cm）

2 有限元模型及計算工況

2.1 有限元模型

本文采用大型有限元軟件ANSYS，從跨中點向右取60m 節(jié)段，對該節(jié)段鋼箱梁進(jìn)行精細(xì)化建模。該節(jié)段側(cè)面圖如圖3 所示。建模時考慮到所研究結(jié)構(gòu)的大部分板件均為薄膜，且由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在分析過程中可能會出現(xiàn)大轉(zhuǎn)動的非線性變化，因此選擇空間板殼單元shell181 進(jìn)行模擬具有一定的適用性。拉索由于僅承受軸向的拉壓且節(jié)點只有平向自由度，因此采用3D 桿即link8 空間桿系單元模擬。節(jié)段模型共計556132 個節(jié)點，596665 個空間板殼單元，10 個空間桿系單元。節(jié)段模型與橋塔相接的端部位置采用固結(jié)模擬，另一端通過施加集中力模擬成橋狀態(tài)節(jié)段受力。結(jié)構(gòu)自重由軟件根據(jù)材料特性及用量自動計算，通過施加豎向均布荷載模擬二期恒載，按照331kN/m 進(jìn)行模擬加載。通過單元選擇活載作用范圍并施加部分豎向均布荷載模擬汽車及火車活載。節(jié)段有限元模型如圖4 所示。

圖3 鋼箱梁節(jié)段側(cè)面圖

圖4 鋼箱梁節(jié)段有限元模型圖

2.2 計算工況

（1）工況1：自重+二期恒載+十車道汽車與列車雙向車道全載。

（2）工況2：自重+二期恒載+十車道汽車與列車單向車道偏載（偏載均作用于梁節(jié)段右側(cè)位置）。

3 空間變形

3.1 自重與二期恒載以及汽車列車位移全載作用下的空間變形

在成橋自重、二期恒載、索力汽車及列車雙向車道全載的作用下，鋼箱梁橫向與縱向變形情況如下：

整體節(jié)段有限元位移結(jié)果如圖5 所示，由于梁節(jié)段結(jié)構(gòu)以及荷載分布均為對稱，所以整體變形呈現(xiàn)對稱分布，在梁端處撓度變化最大，挑臂端撓度變化明顯大于兩側(cè)腹板之間的箱體區(qū)域。

圖5 整體節(jié)段有限元位移結(jié)果圖（單位：mm）

鋼箱梁節(jié)段沿縱向中心線撓度變化如圖6 所示，整體節(jié)段沿縱向為線性變化，鋼箱梁節(jié)段中間截面橫向撓度變化如圖7 所示，呈曲線變化趨勢。

圖6 全載作用下鋼箱梁節(jié)段沿縱向中心線位移圖

圖7 全載作用下鋼箱梁中間截面橫向位移圖

在全載作用下鋼箱梁節(jié)段整體縱向變形呈現(xiàn)整體線性下?lián)馅厔?，由于右?cè)梁端固結(jié)，所以基本無位移，最大撓度出現(xiàn)在左側(cè)梁端位置，最大值為118.60mm。

在全載作用下鋼箱梁中間截面位置處最大撓度出現(xiàn)在截面左右兩側(cè)挑臂端，最大值為79.45mm 下?lián)?。兩?cè)外腹板之間撓度變化不明顯，從兩側(cè)外腹板到挑臂的結(jié)構(gòu)位置空間變形較為明顯，呈不斷下?lián)系内厔?，撓度變化?5.03mm 到79.45mm。整體中間截面整體的橫向位移呈現(xiàn)對稱分布。

3.2 自重與二期恒載以及汽車列車單向偏載作用下的空間變形

在成橋自重、二期恒載、索力、汽車以及列車單向車道偏載的作用下，鋼箱梁橫向與縱向變形情況如下：

鋼箱梁節(jié)段有限元計算結(jié)果如圖8 所示，由于是偏載作用，整體撓度為不對稱分布，偏載作用側(cè)撓度遠(yuǎn)大于無偏載作用側(cè)。偏載作用處的右側(cè)挑臂端撓度幅度最大，越遠(yuǎn)離偏載作用側(cè)撓度變化越小，越靠近固結(jié)梁端處的撓度變化越小。最大豎向撓度出現(xiàn)在梁端右側(cè)挑臂位置，最大值為121.66mm。

圖8 鋼箱梁節(jié)段有限元位移結(jié)果圖（單位：mm）

鋼箱梁節(jié)段沿縱向中心線撓度變化如圖9 所示，整體節(jié)段沿縱向為線性變化。鋼箱梁節(jié)段中間截面橫向撓度如圖10 所示，為不對稱曲線。在偏載工況的作用下鋼箱梁節(jié)段沿著縱向中心線呈現(xiàn)下?lián)馅厔?，右?cè)梁端固結(jié)，基本無位移趨勢，沿中心線最大撓度出現(xiàn)在左側(cè)梁端位置，最大值為64.27mm。

圖9 偏載作用下鋼箱梁節(jié)段沿縱向中心線位移圖

圖10 偏載作用下鋼箱梁中間截面橫向位移圖

在偏載工況的作用下鋼箱梁節(jié)段沿著縱向中心線呈現(xiàn)下?lián)馅厔荩覀?cè)梁端固結(jié)，基本無位移趨勢，沿中心線最大撓度出現(xiàn)在左側(cè)梁端位置，最大值為64.27mm。

在偏載工況的作用下鋼箱梁節(jié)段中間截面撓度為不對稱分布，左側(cè)無偏載工況作用處撓度基本無變化且很小，靠近截面中心處撓度開始逐漸變大。右側(cè)偏載工況作用處結(jié)構(gòu)豎向變形較為明顯，呈不斷下?lián)系内厔?，并在右?cè)挑臂達(dá)到最大值93.27mm。

4 結(jié)論

本文基于有限元分析軟件ANSYS 對某60m 寬幅斜拉橋節(jié)段模型進(jìn)行了撓度計算，通過對施加汽車與火車全載與偏載兩種不同的荷載工況對節(jié)段結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到如下幾點結(jié)論，可以為以后同等結(jié)構(gòu)的橋梁提供參考。

（1）在全載工況的作用下，從整體結(jié)構(gòu)縱向來看懸臂梁端的變形最大，從單一橫向截面來看，在兩側(cè)外腹板之間撓度變化不明顯，往外越靠近挑臂端撓度變化越大，且在挑臂端部附近達(dá)到最大值。在對稱荷載作用下整體變形情況分布趨于對稱。

（2）在偏載工況的作用下，偏載作用側(cè)近懸臂梁端的挑臂位置變形最大，以此為局部中心撓度呈現(xiàn)分布為扇形分布，越遠(yuǎn)離中心撓度越小。

（3）不用的荷載作用對結(jié)構(gòu)的空間變形有較大的影響。在兩種荷載情況下，均可以看出在寬幅鋼箱梁帶挑臂的結(jié)構(gòu)中，挑臂端的變形最為明顯，腹板之間的節(jié)段變形不明顯。