不對稱截面大懸臂節段箱梁合理構造形式研究

陳剛 邵吉林 陳德望

摘要 大懸臂箱梁由于其自重輕、方便施工等優點在城市橋梁建設中逐漸廣泛應用，但由于缺少理論分析方法，該結構在應用過程中產生不同程度的病害，尤其受地形、地物限制截面采用不對稱形式時，在汽車偏載作用下梁體易出現裂縫。為了獲取不對稱截面大懸臂節段箱梁的合理構造形式，基于某高速公路高架橋上部結構，采用Midas Fea3.7有限元程序進行實體仿真分析。根據仿真分析結果，得到不對稱截面大懸臂節段箱梁翼緣板長短邊合理比例，為后續結構設計提供參考。

關鍵詞 大懸臂箱梁；不對稱截面；仿真分析

中圖分類號 U441文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0047-03

0 引言

近年來，由于城市交通量不斷增大，以及對城市土地集約利用和橋梁景觀的要求越來越高，大懸臂混凝土箱梁以其自重輕、方便施工等優點廣泛應用于城市大跨徑高架橋建設中，該結構在降低對下部基礎受力要求的同時，減少項目用地，顯著節約工程造價。

現有規范中提供的懸臂板受力計算方法具有一定局限性，僅規定了適用于懸臂長度小于2.5 m 的懸臂板計算，但針對懸臂長度大于2.5 m的懸臂板，尚未有詳細說明。箱梁翼緣板長度過長可能會導致結構在運營初期產生裂縫，使結構的正常使用性能受到嚴重影響[1]，尤其在受地形和建筑物限制時，采用不對稱截面時箱梁的結構受力更顯復雜[2-3]，因此獲取不對稱截面大懸臂節段箱梁的合理構造形式，有利于提高該結構的應用安全性。

1 工程背景

某雙向六車道城市高架橋上部結構采用40 m節段預制拼裝箱梁，采用C55混凝土。受城市道路地形限制，橋梁上部結構采用左右懸臂不對稱箱型截面梁。

節段預制箱梁主梁全寬16.25 m，梁高2.5 m。外側翼緣懸臂長度5.4 m，翼緣根部厚0.6 m；內側翼緣懸臂長3.05 m，翼緣根部厚0.5 m，底板寬6.1 m。根據梁段劃分位置，外側翼緣縱橋向每2 m設置一道加勁肋。節段箱梁斷面如圖1所示。

2 有限元模型建立

2.1 模型參數

箱梁采用C55混凝土。頂板縱向鋼筋采用16鋼筋，布置間距15 cm；橫向頂層采用22鋼筋，底層采用16鋼筋，布置間距15 cm。鋼筋凈保護層外側為4 cm，內側為3 cm。頂板橫向設置15-3預應力鋼束，鋼束為直線束，距頂面10 cm，縱向間距為50 cm，4 m標準節段梁設置8束鋼絞線；鋼絞線錨下張拉控制應力1 395 MPa。

2.2 計算荷載

有限元主要施加荷載如下：

（1）恒載：一期恒載按結構自重加載。

（2）溫度：取結構整體升降溫20 ℃。

（3）溫度梯度：根據監測單位提供數據，實測箱梁頂板上、下緣最大溫差為9 ℃。

（4）橫向預應力：考慮張拉100%預應力。設計單端張拉控制應力為1 395 MPa，在該張拉力下，經框架單梁模型計算，考慮錨具變形、摩阻力等損失后，每道橫向預應力鋼束永存張拉力為533 kN。

（5）橋面鋪裝荷載：2.4 kN/m。

（6）汽車荷載：根據橋面布置取3車道，依據規范取車輪荷載為140 kN。

2.3 模型建立

采用Midas Fea3.7有限元程序進行節段箱梁的仿真分析，混凝土采用實體單元，鋼筋和橫向預應力采用鋼筋桁架單元[4-5]。采用4 m長標準梁節段（腹板厚度 45 cm）進行施工階段分析時，共設52 126個節點、44 277個單元。有限元計算模型如圖2所示。

2.4 計算工況

該次有限元計算取某高速公路高架橋節段預制箱梁進行分析，固定箱梁翼緣板長邊長度為5.4 m，對翼緣板短邊長度進行變化，共設置8個工況。各工況中翼緣板短邊長度分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.4 m。

圖2 有限元計算模型

3 不對稱大懸臂箱型截面翼緣板寬度合理比值分析

為獲取不對稱截面大懸臂節段箱梁的合理構造形式，通過有限元分析計算得到不同荷載作用下，節段箱梁在不同翼緣板寬度比值條件下的位移及應力變化情況。由于篇幅限制，僅列出工況1條件下節段箱梁在自重作用下的應力及豎向位移云圖，如圖3～5所示。

通過有限元計算，不同工況下節段箱梁翼緣板長邊豎向位移結果見表2。

根據計算結果可以得到，在汽車作用和標準組合作用下節段箱梁翼緣板長邊端部豎向位移隨翼緣板寬度比值變化不大。而從節段箱梁在重力作用下翼緣板長邊端部豎向位移變化可以看出，當節段箱梁翼緣板寬度比值大于0.65時，翼緣板長邊端部豎向位移減小，且變化幅度逐漸穩定。

同時通過有限元計算，可以得出不同工況下箱梁腹板間頂板最大彎矩值。具體計算結果見表3。

根據計算結果顯示，與翼緣板長邊端部豎向位移隨翼緣板寬度比值變化情況相同，在汽車作用和基本組合下節段箱梁腹板間頂板最大彎矩隨翼緣板寬度比值變化不大。從應力云圖和計算結果中可以看出，在自重作用下節段箱梁頂板最大彎矩出現在箱梁變截面處的頂、腹板交界位置，最大彎矩值隨比例的增大而減小，且變化幅度逐漸減小。

最后根據仿真計算結果，得出不同工況下節段箱梁腹板間頂板最大拉應力結果，見表4。

通過計算結果可以看出在標準組合作用下，節段箱梁腹板間頂板最大拉應力受翼緣板寬度比值變化的影響較為顯著。在標準組合作用下，節段箱梁頂板最大拉應力出現在接近箱梁變截面處的頂、腹板交界位置，最大拉應力值隨懸臂長度比例的增大逐漸減小，且隨著比例的增大變化幅度減小，節段箱梁受力情況更加均勻。

4 結論

該文采用Midas Fea3.7有限元軟件對不同截面尺寸節段箱梁進行實體仿真分析，根據仿真分析結果，得到以下結論：

（1）不同截面尺寸的不對稱截面大懸臂節段箱梁在荷載作用下箱梁懸臂位移、內力和應力變化情況較為明顯，尤其在汽車偏載作用下，結構受力分布更為復雜。

（2）通過分析節段箱梁懸臂位移、內力和應力隨翼緣板寬度比值變化，得出不對稱大懸臂箱型截面翼緣板寬度比例應控制在0.6～1.0之間，且比例越趨近于1時，不對稱節段箱梁結構受力更均勻，安全性更高。

（3）通過不對稱截面大懸臂節段箱梁有限元分析，節段箱梁變截面處的頂、腹板交界位置應力差值較大，故建議日常巡查過程中應對懸臂根部及頂、腹板交界位置進行重點檢查，如出現裂縫應及時采取相應措施。

參考文獻

[1]姚玲森. 橋梁工程 第2版[M]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[2]郭曉雷. 長懸臂混凝土箱梁翼緣板受力分析[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學， 2017.

[3]肖金梅. 大懸臂展翅混凝土連續箱梁橋橫向受力分析[D]. 廣州：華南理工大學， 2015.

[4]姜曉彬. 蘭溪金角大橋不對稱箱梁斷面受力特性研究[D]. 杭州：浙江大學， 2013.

[5]李立峰， 邵旭東， 程翔云， 等. 變截面長懸臂寬箱梁橋翼緣有效寬度研究[J]. 重慶交通學院學報， 2004（2）： 1-5.