鋼結構斜拉橋人行道鋪裝安全性研究

閆　旭　張四國　張一卓

(天津市市政工程設計研究院，天津　300051)

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鋼結構斜拉橋人行道鋪裝安全性研究

閆旭張四國張一卓

(天津市市政工程設計研究院，天津300051)

基于有限元法的相關知識，利用ANSYS有限元軟件，建立了某鋼結構斜拉橋的仿真模型，分析了主梁人行道板的鋪裝安全性，得到了不同施工荷載工況下主梁應力分布情況，并與規范中規定的安全應力進行了對比，分析結果表明，在最不利工況下，該鋼結構斜拉橋的鋪裝安全性能夠得到保證。

鋼結構，斜拉橋，鋪裝，應力分析

0　引言

在實際橋梁的施工進程中，二期鋪裝的施工是非常重要的環節，二期恒載作為主梁恒載的一部分，對主梁的成橋應力影響很大。二期鋪裝主要由底層瀝青混凝土和上層混合料組成，在施工過程中，經常會造成材料集中堆載、攤鋪機械超載等現象，嚴重的可能造成新建橋梁的結構損傷甚至垮塌[1]。因此，合理設計二期鋪裝的攤鋪流程非常重要，特別是鋼橋面的鋪裝[2]。本文即利用ANSYS有限元軟件對某鋼結構斜拉橋的人行道鋪裝安全性進行了數值模擬分析和評價。

1　工程簡介

工程中某鋼結構斜拉橋，主梁寬度45.5 m，鋪裝層為3.5 cm厚瀝青混凝土和3.5 cm厚SMA混合料，人行道和非機動車道寬度為5 m，主梁上斜拉索錨固點間距離為7 m，主梁橫隔板間距3.5 m，人行道和非機動車道懸臂板由間距為3.5 m的鋼結構斜撐支撐，主梁一般斷面和主梁平立面結構分布圖分別如圖1和圖2所示。

要對人行道和非機動車道進行鋪裝，瀝青混凝土澆筑鋪裝機械為軸重4 t+13 t+13 t的庫卡車和軸重為15 t的澆筑式履帶攤鋪機，機械布置如圖3所示。

如圖4所示為SMA混合料攤鋪作業施工機械布置圖，分別布置總重30 t的庫卡車、35 t的攤鋪機和26 t的壓路機等重型機械，其中各個機械結構尺寸及布置如圖4所示。

其中，庫卡車后輪軸線距離SMA攤鋪機履帶前緣距離不小于0.8 m，攤鋪機履帶后緣距離壓路機前輪軸線距離不小于2.5 m，相鄰壓路機后輪軸線與前輪軸線距離不小于2 m，驗算在最不利布置情況下，主梁邊懸臂和斜撐的安全性。

2　有限元建模

1)結構簡化。

鋪裝驗算主要驗算部位為人行道和非機動車道行車道板，因此建模時橫向范圍取懸臂端至第一支座的區段；縱向取48 m長度以便布載，如圖5所示，實心圓點表示斜撐位置；不考慮主梁頂底板U形加勁肋的倒角弧度；不考慮頂板縱向加勁肋的過焊孔；不考慮懸臂斜撐處加勁肋交接處的倒角。

2)單元選取。

鋼箱梁各個部件均由不同厚度的鋼板通過焊接連接成一體，建模中用Shell63板單元模擬各個板件，板件交接處共用節點自由度。

3)邊界條件。

約束箱梁在支座處的自由度和模型縱向邊界上的自由度。

4)荷載狀況。

鋪裝驗算考慮梁體自重、鋪裝荷載、護欄荷載和機械荷載。

各個板件厚度如表1所示。

根據《鋼結構設計規范》的規定[3]，最大厚度為30 mm的Q345鋼板的強度設計值為295 MPa，求得結構關鍵點處的相當應力值不超過295 MPa即可。鋼材為塑性材料，相當應力取第四強度理論的等效應力(ANSYS中von Mises stress)。

表1　板件厚度匯總表　mm

3　分析結果

3.1瀝青混凝土澆筑驗算

如圖6所示為不同工況下的荷載布置圖，分別為僅作用庫卡車荷載、僅作用攤鋪機荷載和同時布置庫卡車及攤鋪機荷載的工況。

如圖7所示為不同工況下懸臂應力最大處的等效應力云圖，最大應力分別為168 MPa，214 MPa和205 MPa，均小于容許應力。

3.2SMA混合料鋪裝驗算

如圖8所示為不同工況下的荷載布置圖，分別為僅作用庫卡車荷載、僅作用攤鋪機荷載、僅作用壓路機機荷載和同時布置庫卡車、攤鋪機和壓路機荷載的工況。

如圖9所示為不同工況下懸臂應力最大處的等效應力云圖，最大應力分別為180 MPa，229 MPa，205 MPa和244 MPa，均小于容許應力。

4　結語

不同澆筑類型和荷載工況下懸臂的等效應力如表2所示。

表2　主梁鋼板澆筑應力　MPa

在最不利荷載工況下，瀝青混凝土澆筑時，僅攤鋪機作用下，頂板、頂板縱向加勁和懸臂橫隔板的交匯處產生應力集中現象，最大應力214 MPa；SMA混合料澆筑時，庫卡車和攤鋪機距離最近時，頂板、頂板縱向加勁和懸臂橫隔板的交匯處產生應力集中現象，最大應力244 MPa，均小于最大屈服容許應力295 MPa。橋面鋪裝中應嚴格按照施工工藝進行，以免產生不必要的資金投入并影響橋梁應有的使用年限[4]。

[1]于顯波.大跨徑橋梁橋面鋪裝破壞成因與防治[J].橋梁與隧道,2008(17):118-119.

[2]李建斌.鋼橋面復合鋪裝設計及其參數對橋梁結構的影響[J].橋梁與隧道工程,2014(16):132-136.

[3]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4]王彥里.高等級公路橋面鋪裝施工[J].現代公路,2012(18):178-180.

Study of the sidewalk paving safety for a steel cable-stayed bridge

Yan XuZhang SiguoZhang Yizhuo

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)

Based on the knowledge of FEM, a simulation model of a steel cable-stayed bridge was bulit using ANSYS. The sidewalk paving safety of the main beam was analyzed. The stress distribution of the main beam under different load cases was obtained and the results were compared with the results of specification. The results showed that the sidewalk paving safety for the steel cable-stayed bridge can be guaranteed.

steel, cable-stayed bridge, paving, stress analysis

1009-6825(2016)19-0159-03

2016-04-21

閆旭(1988- )，男，碩士；張四國(1973- )，男，高級工程師；張一卓(1979- )，男，工程師

U443.34

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