城市高架連續(xù)鋼箱梁計算分析

2018-05-02 08:36:58梁慶學

城市道橋與防洪 2018年3期

熊誠，汪斌，梁慶學

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430010）

0 引言

近年來，城市高架道路系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，由高架道路組成的城市快速路或主干路在城市交通中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在城市高架道路設計中，特別在交通繁忙的路口建造立交橋，受施工條件、工期、橋下地面交通組織和橋梁總體美觀等多方面因素的限制，結(jié)構(gòu)總體設計多采用跨越能力較強、施工快捷的連續(xù)鋼箱梁方案。

本文以某城市高架三跨連續(xù)鋼箱梁為工程實例，采用MIDAS/Civil建立有限元分析模型，對結(jié)構(gòu)進行詳細計算分析。

1 工程概況

某城市高架橋第一聯(lián)跨越現(xiàn)狀高速公路，采用三跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，聯(lián)長120m，橋跨布置為35m+50m+35m=120m，橋?qū)?6m。橋梁總體布置如圖1所示。

主梁采用單箱三室斜腹板鋼箱梁截面，梁高1.92m；箱梁跨中標準截面頂板、底板、腹板厚均為14mm，支點段頂板、底板、腹板加厚至24mm。頂板、底板間距560mm設置一道加勁肋，加勁肋采用U形肋，板厚12mm，肋高約280mm。腹板間距500mm設置一道I形加勁肋，板厚12mm，肋高120mm。箱梁沿縱向間距2.5～3.0m設置一道橫隔板，板厚14mm。鋼箱梁標準橫斷面及縱剖面如圖2和圖3所示。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

2 計算模型建立

采用MIDAS計算軟件將結(jié)構(gòu)離散為空間梁單元，建立全橋有限元模型，共126個單元、135個節(jié)點。邊界條件的自由度約束均按設計圖紙設置，采用雙支座模擬。有限元模型如圖4所示。

橋梁荷載取值如下：主梁自重由程序自動計算；二期荷載包括防撞護欄與橋面鋪裝，以均布荷載計入；汽車荷載為城-A級，雙向六車道；溫度作用包括整體升溫、降溫及梯度溫度，取值按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTGD60—2015）執(zhí)行；汽車沖擊系數(shù)μ=0.195；基礎不均勻沉降按1cm考慮。

圖2 鋼箱梁典型橫斷面圖（單位：mm)

圖3 鋼箱梁縱剖面圖（單位：mm)

圖435 m+50m+35m=120m連續(xù)鋼箱梁有限元分析模型圖

3 計算內(nèi)容及結(jié)果分析

3.1 縱向計算分析

3.1.1 第一體系應力（主梁體系）

鋼箱梁沿縱向整體受力，其受力特性為連續(xù)梁特性，跨中正彎矩最大，支座負彎矩最大。采用空間單梁模型，計算箱梁上下緣的最大正應力。計算結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 主梁剪力包絡圖（單位：kN）

圖6 主梁彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖7 截面上緣正應力（單位：MPa）

圖8 截面下緣正應力（單位：MPa）

剪應力考慮均由各腹板平分承受。

邊支點處：腹板厚 14mm，τmax=78.3MPa。

中支點處：腹板厚 24mm，τmax=75.6MPa。

3.1.2 第二體系應力（橋面體系）

鋼橋面板作為橋面系直接承受車輪荷載作用，因此由縱肋和頂板組成結(jié)構(gòu)系，把橋面上的荷載傳遞到橫隔板上。針對這一體系，把橫隔板間的單根縱肋及一定寬度的橋面板作為整體，將橫隔板作為支撐，計算其在外荷載作用下的應力。因為縱肋穿過橫隔板保持連續(xù)，因此縱肋具有連續(xù)梁特性。按多跨剛性支承連續(xù)梁計算縱肋彎矩，跨度為橫肋間距a=3000mm，采用MIDAS/Civil程序計算，彎矩包絡圖如圖9所示。

經(jīng)計算，縱肋最大正彎矩處上緣壓應力為46.6MPa，下緣拉應力為108.4MPa；最小負彎矩處上緣拉應力為36.1MPa，下緣壓應力為83.8MPa。

3.1.3 應力疊加結(jié)果分析

第一、第二體系面應力疊加結(jié)果見表1。

圖9 縱肋恒載+活載彎矩包絡圖（單位：kN/m）

表1 主梁截面應力疊加結(jié)果表（第一、第二體系）

3.2 橫向計算分析

3.2.1 普通橫隔板

普通位置橫隔板承受縱肋傳遞過來的力，再傳遞到兩側(cè)腹板上，橫隔板橫向受彎，可簡化為兩端簡支于腹板的簡支梁計算。內(nèi)力計算圖如圖10所示，彎矩及剪力包絡圖如圖11和圖12所示。

圖10 橫隔板內(nèi)力計算示意圖（單位：mm）

圖11 橫隔板彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖12 橫隔板剪力包絡圖（單位：kN）

跨中截面：上緣壓應力10.8MPa，下緣拉應力10.8MPa。支點截面：最大剪應力 27.7MPa。

3.2.2 支點橫梁

支點橫梁承受腹板傳遞的力，再傳遞給支座，支點橫梁橫向受彎，可簡化為簡支于支座上的簡支梁或者連續(xù)梁，承受腹板的豎向力。支點橫梁為兩塊橫隔板或三塊橫隔板組成，截面為箱形截面。腹板的豎向力大小按該支座處的總支反力平分（乘以一定的偏載系數(shù)）。中橫梁、端橫梁等效截面如圖13所示。

圖13 中橫梁、端橫梁等效截面（單位：mm）

經(jīng)計算，中橫梁腹板最大剪應力68MPa，上緣最大拉應力144MPa，下緣最大壓應力144MPa；端橫梁腹板最大剪應力28MPa，上緣最大拉應力121MPa，下緣最大壓應力121MPa。

3.3 支撐加勁肋

鋼箱梁在支承處應設置成對的豎向加勁肋。支承加勁肋直接承受支座反力的作用，不僅需要驗算支承墊板處腹板和加勁肋的直接承壓應力，而且必須計算腹板和加勁肋中的豎向應力。

依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》（JTGD64—2015）第5.3.4條，經(jīng)計算中支點、邊支點局部承壓應力分別為74.2MPa、31.2MPa。中支點、邊支點處加勁肋豎向應力分別為186MPa、78.1MPa。支撐加勁肋計算時腹板有效計算寬度如圖14所示。