匝道彎鋼箱梁主要體系力學行為分析

摘要：文章以云南某立交區匝道彎鋼箱梁為例，通過有限元軟件對其在正常運營下的狀態建立模型，并對其鋼主梁縱向以及腹板及加勁肋等構件，即鋼箱梁的第一體系以及第二體系的受力進行分析，驗證彎鋼箱梁在運營狀態下的力學行為。結果表明：該橋在運營狀態下的受力良好，且支座始終保持在受壓狀態，滿足規范要求。

關鍵詞：匝道；鋼箱梁；受力分析

中圖分類號：U441+.5

0 引言

鋼箱梁因其梁高相對較小、自重較輕，能在工廠預制好，在現場進行拼接施工，有效加快施工進度而受到工程行業人員的青睞。尤其是其箱式內部為密閉空間，能夠有效隔絕空氣和氧氣進入，有利于延長涂裝和橋梁的整體壽命，且其自身抗彎和抗扭剛度較大，在小半徑曲線橋以及在運營時偏心荷載較大時能夠保證其安全性。此時有必要對其受力性能進行分析［1］。

在進行鋼箱梁受力分析時，因其加勁肋的存在，造成其橋面板在縱向和橫向的受力不一致，屬于正交異性。因此在進行受力分析時，需要關注第一體系的鋼橋面板和縱向加勁肋主梁以及第二體系的縱肋、橫肋和橋面板組成的橋面系結構。由于第三體系直接承受車輪荷載，而橋面板的應力呈現為薄膜應力狀態［2］，能夠承受較大的超額承載力，因此在設計中，往往只考慮第一體系和第二體系的受力。本文以云南某立交區匝道彎鋼箱梁為例，通過有限元軟件模擬其第一體系和第二體系在運營狀態下的受力情況并對其進行分析來驗證其安全性，計算結果表明，該彎橋運營狀態下的支座均處于受壓，且整體的安全系數較高，滿足運營要求［3］。

1 工程概況

B匝道全部為鋼箱梁，其跨徑組合為：［（3×29）+（30.57+37+30.57）+（3×28.275）+（25+38.5+20+23.558）+（23.558+26+26+26）+（4×34.3）］m，共六聯。單箱雙室截面，梁高1.6 m，頂板腹板厚16 mm（支點附近加厚至28 mm）、底板厚18 mm（支點附近加厚至28 mm），頂底板縱向采用倒T型加勁肋，加勁肋間距275～327.5 mm，橫向加勁肋間距約2 m。上部箱梁鋼板采用Q345C型鋼板。

由于匝道曲線半徑較小，匝道橋跨越地鐵地下空間及市政道路，同時為了加快施工進度，縮短施工周期，減小工程實施對項目區域的影響。對于曲線半徑較小、跨度較大以及地鐵站區域采用鋼箱梁［4］。

為減小板底局部承壓效應，為使支座受力均勻，支座設計為水平放置。橋梁縱坡由墩臺高差調整形成；橋面橫坡采用支座墊石設置橫坡，橋墩墩帽及橋臺臺帽水平設置。上部板底設置楔形塊，使箱梁坡度與橋面橫坡相同。其斷面如圖1所示。

2 有限元分析

上部箱梁按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行驗算，運用橋梁空間程序進行計算，根據規范要求對主要控制截面的內力、應力和位移進行計算，使結構設計在施工、使用階段均滿足規范要求［5］。

2.1 計算荷載

（1）包括梁體自重（按78.5 kN/m3計），8 cm瀝青混凝土+2道防撞欄桿（每道取8 kN/m）；

（2）汽車荷載及沖擊力：汽車活載按城-A級，沖擊系數按規范JTG D60-2015取用，按車輛實際形式情況考慮中載和偏載情況。

（3）混凝土收縮徐變：按規范JTG D3362-2018附錄C取用。

（4）溫度荷載：按規范JTG D60-2015第4.3.12條取用；整體升溫30°，整體降溫20°。

（5）縱向不均勻沉降：B匝道第一聯單墩沉降10 mm，取其最不利組合；其余聯單墩沉降5 mm，取其最不利組合。

（6）基本組合：按規范JTG D60-2015第4.1.5條進行。

組合Ⅰ：頻遇組合（短期效應組合）；按規范JTG D60-2015第4.1.5條進行。

組合Ⅱ：準永久組合（長期效應組合）；按規范JTG D60-2015第4.1.5條進行。

標準值組合：按規范JTG D60-2015第4.1.8條進行。

2.2 模型分析

采用有限元軟件分析曲線上鋼箱梁的受力特性，鋼箱梁采用空間梁格模型進行模擬，見圖2。縱梁梁格劃分時盡量保證單根梁的中心軸和整體截面中心軸高度一致，各縱梁按全截面寬度建立，橫梁根據《公路鋼結構橋梁設計規范》的有效截面寬度確定。由于篇幅有限，本文取最不利的第二聯進行受力分析。

3 橫向驗算

3.1 支反力驗算

將模型中數據提取出來，并整理如表1所示。

由表1可知，在基本組合（分項系數均為1.0，即標準值組合）作用下，該聯橋梁中最大支反力為3 821 kN，出現在B5中墩，最小支反力為252 kN，出現在B6邊墩，這是由于該橋處于匝道小曲線半徑上，支座在承受來自上部汽車荷載和自重情況下，由于偏心的存在造成支反力不均。在邊墩位置，外側支反力小于內側支反力，但在中墩位置，內側支反力小于外側支反力。這是因為該橋的邊跨比和半徑均較大，易造成支座脫空情況，但根據表1數據，該橋支座始終保持受壓狀態，未出現脫空等不安全情況，滿足規范要求。

3.2 抗傾覆驗算

將模型中數據提取出來，并整理如表2～3所示。

近期國內由于以往設計考慮為獨柱墩，且匝道上存在超載現象，對于抗傾覆設計顯得尤為重要，本設計考慮為雙柱墩結構，且在進行抗傾覆設計時，不止考慮汽車本身的設計荷載，對于汽車存在的超載情況也進行了適當的考慮，以期能夠保證其在不安全運營情況下的安全狀態。由表2～3可知，在最不利傾覆荷載作用下，其傾覆力矩值為2 648.81 kN·m，而包括各個墩柱自重在內，其合計的穩定力矩為48 717.15 kN·m，各聯鋼箱橫梁抗傾覆安全系數最小為18.39，均＞2.5，即在存在一般情況的超載情況，該橋也能較好地利用自重來進行平衡，鋼箱的橫橋向抗傾覆滿足規范要求。

4 體系受力驗算

4.1 第一體系驗算

正應力按各縱梁全截面計算，考慮截面有效寬度的正應力根據該應力結果除以各截面的綜合有效寬度比值確定。由于篇幅有限，僅列舉出鋼箱梁截面上緣正應力圖如圖3所示，并將其他數據整理如表4所示。

由表4可知，該匝道橋上緣的最大正應力為92 MPa，出現在中支點按照有效寬度計算的上緣。這是因為在支點位置處，該處受到的負彎矩較大，也就是說在上緣位置受拉，因此上緣受到的應力較大。相應地，下緣最大應力出現在中跨的跨中位置。承載能力極限狀態下，該聯按有效寬度計算的最大正應力為147 MPa，＜270 MPa，正應力滿足規范要求；各聯剪應力均出現在支座附近，其最大值為84 MPa，＜155 MPa，剪應力滿足規范要求。

4.2 第二體系驗算

4.2.1 腹板最小厚度及最大橫向加勁肋間距驗算

由于鋼箱梁腹板縱向加勁肋設置位置不滿足規范要求，故腹板驗算僅考慮設置橫向加勁肋，不設置縱向加勁肋，計算結果如表5所示。

4.2.2 腹板橫向加勁肋間距驗算

驗算按規范5.3.3-1a和5.3.3-1b進行。由于B匝道各聯鋼箱梁構造參數一樣，故選取受力最大的一聯（第二聯）進行驗算，驗算結果如表6所示。

4.2.3 腹板橫向加勁肋慣性矩驗算

鋼箱梁腹板橫向加勁肋慣性矩驗算如表7所示。

5 驗算結果分析

在對腹板進行驗算時，腹板加勁肋的間距以及腹板高度對此處的受力狀態影響較大，尤其是對于高腹板，高腹板的轉動約束是介于簡支和固定邊約束之間的一種狀態，現有的計算方法為了取值保守，將其默認選為固定約束。本文引用相關文獻內的成果，運用在較高腹板情況下，加勁肋的設置方法，并將其隨后的驗算方法簡化為一種較能反映腹板包括厚度、高度和加勁肋間距在內對其正應力和剪應力影響的參數化表示。從表4～6數據可知，通過優化設置參數后，第二體系的腹板及其加勁肋構造均滿足規范要求，且其安全系數較高，能夠較好地保證其在運營狀態下的安全性。

6 結語

本文以云南某匝道橋為例，由于匝道曲線半徑較小，匝道橋跨越地鐵地下空間及市政道路，同時為了加快施工進度、縮短施工周期、減小工程實施對項目區域的影響，對于曲線半徑較小、跨度較大以及地鐵站區域采用鋼箱梁預制吊裝安裝的方法。為更好地保證鋼箱梁運營后的安全狀態，需要對其在吊裝安裝前進行受力分析。通過對其傾覆穩定性進行驗算，隨后對其在運營荷載作用下鋼箱梁第一體系、第二體系的整體受力進行分析，得出結論為，該結構設計合理，受力情況較為安全，能夠很好地滿足其在小半徑曲線上的運營安全。這可為類似工程項目提供參考。

參考文獻

［1］李上偉.行人荷載下大跨鋼箱梁人行橋動力響應分析與TMD減振控制［D］.廣州：廣州大學，2016.

［2］姜 旭，徐 數.雙箱單室鋼箱梁橋設計［J］.山西建筑，2022，48（1）：140-143，148.

［3］高立強.鐵路橋鋼箱梁正交異性橋面板的靜力行為與疲勞性能研究［D］.成都：西南交通大學，2013.

［4］劉玉龍.新型鋼箱梁正交異性橋面板力學性能分析研究［D］.南京：東南大學，2015.

［5］鄭清剛，肖海珠.援馬爾代夫中馬友誼大橋主梁鋼箱梁設計［J］.橋梁建設，2018，48（3）：95-99.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：顧光明（1992—），碩士，工程師，研究方向：橋梁專業。