鴨綠江界河公路大橋主橋鋼箱梁的力學行為研究

王曉峰

(太原市市政公用工程質量安全站(太原市軌道交通建設服務中心)，山西 太原 030021)

1 概述

本文以鴨綠江界河公路大橋為例，該橋總長為1 266 m，主跨為636 m，主橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，連續半漂浮體系[1]。主橋中跨主梁采用整體式正交各項異性鋼箱梁，邊跨主梁采用鋼箱結合梁，主梁輪廓總高度為3.5 m，輪廓總寬度為33.5 m；斜拉索為扇形布置，采用7 mm高強度鋅鋁合金鍍層平行鋼絲，主梁上的標準索距16.0 m，全橋共4×19對斜拉索；橋塔采用無下橫梁H形混凝土塔，高194.6 m，基礎采用啞鈴形整體基礎[2-4]。基礎采用鉆孔樁基礎，輔助墩及過渡墩采用箱型墩，橋跨分別為(86+229+636+229+86)m(18號～23號橋墩)，如圖1所示。項目滿足雙向通航398 m，橋梁設計荷載采用公路-Ⅰ級，按雙向八車道高速公路設計，設計速度100 km/h，主橋通航等級為Ⅰ-(1)級航道，主橋采用50年10%和50年2%兩種超越概率地震動進行抗震設防。

2 主橋中跨主梁和邊跨主梁設計

主橋中跨主梁采用整體鋼箱梁結構，選用的材料為Q345低合金鋼，其屈服強度為345 MPa。中跨主梁的整體高度為4.5 m，標準節段為15 m，整體寬度為48 m，在中跨主梁的縱向方向設置4道腹板，中腹板之間的間距為18.25 m，在外側重車道采用實腹式隔板，在中間輕車道采用桁架式隔板，主橋中跨主梁橫斷面示意圖如圖2所示。頂板厚度分別在重車道和輕車道區域為20 mm和15 mm，底板的整體厚度為10 mm[5]。在頂板和底板處均增加U形肋板來保證結構強度和剛度，主橋中跨主梁的U形肋板如圖3所示。

主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預制混凝土板相結合結構，其中，在墩頂區域，邊跨主梁選用材料為Q370低合金鋼，其屈服強度為370 MPa。在其他區域，邊跨主梁選用材料為Q345低合金鋼，其屈服強度為345 MPa。鋼箱梁與預制混凝土板通過濕接縫與剪力釘固定，邊跨主梁的整體高度為4.49 m，標準節段為12 m，整體寬度為48 m。在邊跨主梁的縱向方向設置4道腹板，中腹板之間的間距為18.25 m，在外側重車道采用實腹式隔板，在中間輕車道采用桁架式隔板。頂板上部通過設計縱橫交錯式結構來預設預制混凝土板，預制混凝土板的厚度為37 mm。同樣地，在底板處增加U形肋板來保證結構強度和剛度，底板的整體厚度為10 mm。主橋邊跨主梁橫斷面示意圖如圖4所示。

3 主橋鋼箱梁的力學分析

3.1 輔助墩對主橋鋼箱梁的影響

通過采用數值分析軟件建立全橋的結構模型，對主橋鋼箱梁的結構強度進行計算分析。首先通過設計輔助墩的位置來確定主橋鋼箱梁的位移和彎矩。通過對比設置的A位置(第11根拉索固定點處)、B位置(第13根拉索固定點處)和C位置(第15根拉索固定點處)三種輔助墩的位置來分析輔助墩的位置分布對主橋位移和彎矩的影響。主橋塔頂水平位移隨A,B,C三種輔助墩的位置的變化情況如圖5(a)所示。結果表明，輔助墩的設計明顯降低主塔塔頂的水平位移，設置輔助墩的主塔塔頂水平位移是不設置輔助墩的20%～50%。并且得出A位置處的位置最小，因此設置輔助墩的位置越靠近塔根部位位移越小，結構越安全。此外，設置輔助墩可以降低塔的根部彎矩，如圖5(b)所示，設置輔助墩的主塔塔頂彎矩是不設置輔助墩的30%～40%。

3.2 主橋鋼箱梁的結構強度

主橋鋼箱梁在集中載荷作用下的跨中撓度為1 240 mm，其撓跨比為1/765，小于規范規定的1/400的要求，說明主橋鋼箱梁具有較好的豎向剛度。計算結果表明：主橋中跨鋼箱梁上部的最大壓應力為126 MPa，鋼箱梁下部的最大壓應力為172 MPa。主橋邊跨鋼箱梁上部最大壓應力為180 MPa，最大拉應力為175 MPa，鋼箱梁下部的最大壓應力為200 MPa，最大拉應力為90 MPa。主橋邊跨預制混凝土板最大壓應力為17.5 MPa；輔助墩上部區域預制混凝土板拉應力為20.1 MPa。結合材料的材料參數，所有強度計算結果都小于材料的許用屈服應力，滿足規范和施工要求[6]。

此外，主橋邊跨主梁除承受軸向拉壓外，在輔助墩處還承受較大的剪力和彎矩。為了研究主橋邊跨主梁腹板剪力變化規律，建立全橋有限元模型，對邊跨主梁腹板進行受力分析，主梁的上下板件采用板殼單元模擬。圖6給出了主橋邊跨主梁中腹板和邊腹板處的剪力值。由圖6可以得出：在集中載荷作用下，輔助墩處中腹板剪力變化劇烈，其剪力值遠大于邊腹板，因此，主梁輔助墩處的剪力大部分由中腹板承擔。由輔助墩2到橋塔區間內，邊腹板和中腹板的剪力差逐漸縮小，在橋塔根部處，邊腹板和中腹板的剪力差最小。

3.3 主橋鋼箱梁縱向應力分析

主橋鋼箱梁由于在輔助墩處承受較大的剪力和彎矩，因此鋼箱梁翼緣處的壓應力會隨著肋板間距的變化而變化。根據前人的研究，鋼箱梁翼緣在寬度方向受到的彎曲應力呈現出不均勻分布的現象，即剪力滯效應[7-8]。主橋鋼箱梁除了受彎曲應力外，其還受到斜拉索的拉力分量-軸向力，而軸向應力與彎曲應力相疊加會使翼緣處的應力更加不均勻。因此，主橋鋼箱梁翼緣處的縱向應力的剪力滯效應是由彎曲應力、軸向應力和斜拉索拉力共同引起的[9-10]。理論上，剪力滯效應可由剪力滯系數來表征，主橋鋼箱梁縱向應力的剪力滯系數可表示為:

(1)

其中，σf為主橋鋼箱梁受到的縱向應力極值;σm為主橋鋼箱梁受到的平均應力值。

通過有限元計算可以得到主橋鋼箱梁中跨和邊跨縱向應力的剪力滯系數，如圖7所示。由圖7(a)可知，主橋鋼箱梁在均布載荷作用下中跨縱向應力的剪力滯系數小于邊跨縱向應力的剪力滯系數。中跨縱向應力的剪力滯系數分布在α=1.0～1.5區間內，靠近跨中部位鋼箱梁下部和上部的剪力滯系數分別為α=1.44和α=1.46，并且整體上中跨的下部的縱向應力剪力滯系數優于上部。由圖7(b)可知，主橋鋼箱梁在均布載荷作用下邊跨在邊墩、輔助墩和橋塔處的縱向應力剪力滯系數優于別的位置。邊跨預制混凝土板下部的縱向應力剪力滯系數優于上部。對于主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預制混凝土板相結合結構，其縱向應力剪力滯系數高于預制混凝土板，且最大值達到α=1.95。

4 結論

本文基于鴨綠江界河公路大橋工程實例，通過對主橋鋼箱梁結構的受力分析，并通過有限元計算，得出了以下結論：

1)輔助墩的設計明顯降低主塔塔頂的水平位移，設置輔助墩的主塔塔頂水平位移是不設置輔助墩的20%～50%。設置輔助墩的主塔塔頂彎矩是不設置輔助墩的30%～40%。

2)主橋整體和局部的強度計算結果都小于材料的許用屈服應力，滿足規范和施工要求。輔助墩處中腹板的剪力值遠大于邊腹板，主梁輔助墩處的剪力大部分由中腹板承擔。由輔助墩2到橋塔區間內，邊腹板和中腹板的剪力差逐漸縮小，在橋塔根部處，邊腹板和中腹板的剪力差最小。

3)主橋鋼箱梁由于在輔助墩處承受較大的剪力和彎矩，因此鋼箱梁翼緣處的壓應力會隨著肋板間距的變化而變化。主橋鋼箱梁在均布載荷作用下中跨縱向應力的剪力滯系數小于邊跨縱向應力的剪力滯系數。邊跨預制混凝土板下部的縱向應力剪力滯系數優于上部。對于主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預制混凝土板相結合結構，其縱向應力剪力滯系數高于預制混凝土板。