大懸臂寬箱梁橋空間分析與病害原因淺析

張觀樹，張東波

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究，廣西　南寧　530029)

?

大懸臂寬箱梁橋空間分析與病害原因淺析

張觀樹，張東波

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究，廣西南寧530029)

文章選取某大懸臂寬箱梁橋邊跨墩頂0#塊為研究對象，建立了有限元模型對其進行空間受力分析，并與平面桿系模型分析結果進行了對比。分析表明：大懸臂寬箱梁正應力分布存在明顯的剪力滯效應；由于腹板剪切變形和支座局部作用，大懸臂寬箱梁腹板主拉應力差異較大，設計中應予以重視；該橋箱梁正應力和剪應力滿足規范要求，腹板主拉應力超限，是其病害主因之一。

大挑臂寬箱梁；空間分析；病害原因；有限元分析

0　引言

隨著城市建設的突飛猛進，城市道路橋梁設計中日益重視美觀舒適，同時由于交通功能需要，整幅寬箱梁橋在城市高架橋梁、單索面斜拉橋工程中應用廣泛[1]。

橋梁的橫向寬度較大，但橋墩位置卻受道路規劃限制導致支座間距較小，加上為減輕結構自重，箱梁配以較大懸臂，形成大懸臂箱形結構。由于寬箱梁的寬跨比大、腹板間距大、懸臂長等特點，大懸臂寬箱梁受力特征較常規箱梁結構顯得更為復雜。采用常規初等梁理論計算箱梁應力，無法真實反映箱梁彎曲、扭轉、畸變、

剪力滯等效應，導致設計上的缺陷，以致此類橋梁在使用中出現了一些問題[2-4]。鑒于此，本文以一座大跨獨塔單索面斜拉橋為背景，采用實體有限元單元模型，對其邊跨墩梁固結段箱梁進行空間受力分析，以期對其箱梁病害進行探析。

1　工程背景

某跨江大橋主橋全長1 280 m，主橋橋跨結構南北對稱，分為兩聯獨立受力，每一聯亦為自身對稱結構。主橋采用斜拉橋與連續梁橋協作體系，斜拉橋采用2×168 m獨塔單索面結構，墩、塔、梁固，單聯橋跨結構孔徑組成為(72+80+168+168+80+72)m。主梁采用大挑臂單箱五室薄壁箱梁，橋面總寬為29.5 m，雙向六車道，車道寬3.5 m，中央設有3.2 m寬中央分隔帶，兩側各設2.0 m寬人行道，橋面鋪裝為一層厚為6 cm的30號混凝土，見圖1。

圖1　總體布置圖

該橋主跨跨徑大、工程體量大，結構體系復雜，受力情形也極為復雜，特別是墩頂和主梁相接的固結部位和拉索錨固區附近，屬于典型的空間受力特征，采用平面桿系分析方法無法準確把握其復雜的受力狀態。

該橋僅服役十余年，已經歷二次大修，并限制大貨車、半掛車通行。據檢測單位報告顯示，大橋80 m跨和168 m跨大范圍內存在45°斜向受力裂縫和豎向裂縫、腹板豎向預應力鋼束露筋、失效等病害。為徹底掌握大橋主梁頂底板、橫隔板、尤其腹板位置的應力分布狀態，確保結構安全，非常有必要對該位置進行詳細的空間有限元分析，本文以大橋連續梁段NP4墩頂0#塊為分析對象展開研究。

2　有限元模型建立

2.1計算模型

結構仿真分析采用大型通用有限元分析軟件Ansys12.0進行。截選了NP4墩0#塊典型節段，縱向長度選取46.0 m，橫向取全寬，建立有限元分析模型，模型模擬的實際梁段如圖2～3所示。由于結構在墩頂選取范圍內結構和預應力鋼束布置大致對稱，建立1/4模型進行計算分析，分析采用solid45單元模擬混凝土，采用link8單元模擬預應力鋼束，單元長度控制在0.1 m左右，最終模型共劃分387 898個結點，392 504個單元，空間有限元模型如圖4所示。

圖2　計算梁段縱向分布圖

圖3　1/2主梁截面布置圖

圖4　空間有限元離散模型圖

2.2荷載及材料參數

計算過程中選取結構正常使用極限狀態最不利組合下特征截面(距墩頂L=23 m)處平面桿系模型的內力進行加載并與平面桿系模型計算結果進行對比。施加在空間分析模型中的荷載主要包括恒載、預應力、收縮徐變、活載等。分析過程中重點關注主梁腹板及橫隔板位置的主拉應力與主梁頂底板位置的縱向應力，模型中采用Link8單元將主梁縱向預應力與豎向預應力按實際布置進行精確模擬。荷載作用如表1所示。

表1　空間模型梁端的荷載值表

注：該處軸力非常小，可以忽略。

分析模型采用的材料參數如表2所示，混凝土材料采用原設計“85規范”相應參數，縱向預應力鋼束為φ15-9鋼絞線，極限應力為1 860MPa，豎向預應力為φ32精軋螺紋鋼筋，極限應力為830MPa，張拉控制力為50.3T。

表2　原設計“85規范”混凝土材料參數表

3　箱梁應力狀態分析

本次研究對象為NP4墩0#塊典型節段。對于連續梁0#塊而言，比較關鍵的受力部位為腹板、橫隔板和頂板，這里主要列出這些部位的變形和應力結果，文中應力單位為Pa，“+”號為拉應力，“-”號為壓應力。

3.1整體正應力結果

圖5為0#塊的縱向正應力的分析結果。結果表明，在結構自重、預應力、收縮徐變以及可變荷載的綜合作用下，模型的整體正應力范圍都在-12～2.7MPa之間，拉應力出現在墩頂橫隔板區域。

圖5　0#塊整體正應力等值線圖(單位：Pa)

圖6　頂板處縱向正應力等值線圖(單位：Pa)

圖7　底板處縱向正應力等值線圖(單位：Pa)

圖6、圖7分別為頂底板正應力分布圖，在結構自重、預應力、收縮徐變以及可變荷載的綜合作用下，墩頂0#塊基本處于受壓狀態。僅頂板中剖面在墩頂支座約束附近局部范圍出現2MPa左右的拉應力。

同時，從頂板正應力分布圖(見圖6)可以看出，頂板正應力存在明顯的不均勻分布，即在箱梁腹板位置存在剪力滯效應。

3.2整體剪應力分析

圖8為0#塊的整體豎向剪應力的分析結果。結果表明，在結構自重、預應力、收縮徐變以及可變荷載的綜合作用下，模型的整體剪應力集中分布在箱梁腹板及橫隔板位置，箱梁頂板、底板剪應力值極小。

圖8　0#塊整體剪應力云圖(單位：Pa)

圖9　中腹板剪應力等值線圖(單位：Pa)

圖10　邊腹板剪應力等值線圖(單位：Pa)

圖11　斜腹板剪應力等值線圖(單位：Pa)

圖9～圖11為腹板剪應力分布圖，可見在結構自重、預應力、收縮徐變以及可變荷載的綜合作用下，腹板區域基本處于剪壓狀態。斜腹板所示為YZ橫截面內組合應力，應力最大值1.5 MPa左右。

3.3腹板主拉應力結果

圖12～14給出了大橋連續梁段80 m跨墩頂0#塊范圍內各腹板的主拉應力結果，以主拉應力等值線圖表示。

由圖12～14可見，各腹板在結構自重、預應力、收縮徐變以及可變荷載的綜合作用下均出現不同程度的主拉應力，其中邊腹板應力值最大接近4.0 MPa，中腹板和斜腹板應力值相對較小，約2.6 MPa。

圖12　中腹板處主拉應力等值線圖(單位：Pa)

圖13　邊腹板處主拉應力等值線圖(單位：Pa)

圖14　斜腹板處主拉應力等值線圖(單位：Pa)

腹板位置中腹板邊腹板斜腹板空間分析值(MPa)2.63.762.15桿系分析值(MPa)2.12.12.1

將空間分析結果和平面桿系分析結果進行比較(如表3所示)可知：

(1)空間分析值與桿系模型分析值比較穩合，中腹板、邊腹板處空間計算值較桿系計算值分別大0.4 MPa和1.7 MPa，說明二者分析基本一致。

(2)空間分析表明，由于大懸臂寬箱梁腹板剪切變形、支座局部作用導致腹板主拉應力差異性較大，與大懸臂寬箱梁理論較吻合，而這是常規平面桿系模型無法體現的。

3.4橫隔板主拉應力結果

圖15為模型橫隔板內的主拉應力結果。結果表明，在考慮結構自重、預應力、收縮徐變以及可變荷載的綜合作用下，橫隔板內出現不到1.5 MPa的主拉應力，滿足“85規范”要求。

圖15　橫隔板內主拉應力等值線圖(單位：Pa)

4　結語

本文選取墩頂0#塊為研究對象，建立了詳細的空間有限元模型，考慮結構自重、預應力、收縮徐變等永久作用以及汽車、人群等可變作用，進行了精確的

空間分析，并與桿系分析結果進行了對比，可得到如下結論：

(1)在各種綜合作用下，大懸臂寬箱梁正應力不均勻分布較明顯，腹板位置存在明顯的剪力滯效應。

(2)由于大懸臂寬箱梁腹板剪切變形、支座局部作用導致腹板主拉應力差異性較大，而常規平面桿系模型無法體現這一受力特征，在平時設計中應得到充分認識。

(3)箱梁正應力和剪應力均滿足規范要求，僅荷載加載局部區域和墩頂支點對稱約束處應力集中導致出現拉應力外，NP4墩0#塊全部受壓，腹板區域基本全處于剪壓狀態。

(4)墩頂附近20 m范圍內，該橋三塊腹板均出現不同程度的主拉應力，其中中腹板和斜腹板應力值相對較小，約2.6 MPa，邊腹板處由于支座處剪力直接傳遞，應力值最大接近4.0 MPa，均已超出規范容許范圍。分析結果與大橋裂縫分布情況基本一致，腹板主拉應力超限是是大橋病害的主因之一。

[1]徐海軍，冷金榮.城市高架橋異形寬箱梁空間結構分析[J].結構工程師，2010，26(2)：70-75.

[2]王雷.現澆中小跨徑連續單箱多室寬箱梁橋空間效應研究[D].北京：北京交通大學，2013.

[3]華波，朱朝陽，朱安靜.大懸臂多腹板寬箱梁受力特性研究[J].交通科技，2012，251(2)：1-3.

[4]李立峰，邵旭東，等，變截面長懸臂寬箱梁橋翼緣有效寬度研究[J].重慶交通學院院報，2004，23(2)：1-5.

Spatial Analysis and Disease Cause Discussions of Large-cantilever Wide Box-girder Bridges

ZHANG Guan-shu，ZHANG Dong-bo

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

With the side-span pier top #0 block of a large-cantilever wide box-girder bridge as the study object，this article established the finite element model for its spatial stress analysis，and compared with the flat bar system model analysis results.The analysis showed that：the normal stress distribution of large-cantilever wide box-girder has the obvious shear lag effect；due to the impact of web shear de-formation and local bearing action，the principal web tensile stress of large-cantilever wide box-girder has bigger differences，which requires the special attention during the design；the normal stress and shear stress of box girder in this bridge can meet regulatory requirements，the over-limit principal ten-sile stress of web plate is one of main causes for its disease.

Large-cantilever wide box-girder；Spatial analysis；Diseases cause；Finite element analysis

U445.7+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.011

1673-4874(2016)05-0038-05

2016-04-27

張觀樹(1971—)，高級工程師，研究方向：道路橋梁設計；

張東波(1986—)，碩士，工程師，研究方向：道路橋梁設計。