大寬跨比的正交異性鋼箱梁力學行為分析

李 冰 潘慧杰

1中電建路橋集團有限公司（100048） 2鄭州理工職業學院（450000）

0 前言

正交異性鋼橋面板以其自重輕、極限承載能力大、工廠化程度高、施工周期短、結構造型美觀等優點，廣泛應用于公路橋梁和鐵路橋梁，它的應用代表著一個國家鋼橋設計和制造水平[1]。正交異性鋼橋面板容易發生最大應力引起應力集中和疲勞裂縫，而結構在反復的輪壓作用下的局部受力是引起疲勞裂縫的最主要原因，疲勞裂縫已經成為鋼橋設計中的世界性難題。

文章以人文路賈魯河橋為例，利用有限元軟件Midas對鋼箱梁橋進行力學性能分析，以保障橋梁施工過程的穩定與安全，為類似工程提供參考。

1 工程概況

人文路賈魯河橋是典型的無背索斜拉橋，主橋采用雙索面獨塔結構，橋梁全寬55 m，為塔梁固結體系。主塔上塔柱高70 m，每節段長6 m，塔身傾角60°。主梁為鋼混縱向組合結構，主橋長度190 m，縱向布置為30 m+120 m+40 m，主跨120 m，其中主跨跨中100 m為鋼箱梁，鋼梁與混凝土梁結合處設鋼混結合過渡段，鋼梁為主縱梁、小縱梁、中橫梁、小橫梁、正交異性鋼橋面板及大懸挑組成的鋼構架。

2 有限元模型

文章采用的混合有限元法計算的準確性，對混合單元模型與桿系模型在二恒和活載作用下的變形進行對比。

2.1 計算模型

采用混合有限元模型對賈魯河橋進行分析，跨中區域的鋼箱梁采用板殼單元模擬，其他區域采用梁單元模擬。根據圣維南原理，鋼箱梁采用板殼建模的長度為55 m，混合有限元模型，混合模型共計生成殼單元101 549個，梁單元68個。

2.2 計算參數

主梁的材料參數取值見表1。

表1 計算選用的材料參數表

2.3 計算荷載

計算荷載包括梁體自重、二期鋪裝和公路I級汽車荷載。混合有限元模型中梁單元所承受荷載以線荷載形式施加到梁單元上。全橋按8車道布載，車道折減系數為0.5。殼單元上車道荷載按面荷載施加。

3 鋼箱梁受力分析

3.1 鋼箱梁變形分析

賈魯河橋鋼箱梁寬55 m，橫向尺寸大，采用整體桿系模型可以計算得到梁段的豎向變形。但對于梁段的橫向變形，整體桿系模型無法給出精確的計算結果。文章基于空間板殼模型，重點分析鋼箱梁橫橋向變形。

鋼箱梁橫向變形分析表明：自重作用下鋼箱梁橫向相對變形（橫橋向其他點相對于鋼箱梁中線處點的變形）最大值為1 mm，二恒作用下鋼箱梁橫向相對變形最大值為-2.8 mm（如圖1所示），活載作用下鋼箱梁橫向相對變形最大值為1.7 mm（如圖2所示）。鋼箱梁橫隔板間距較小，鋼箱梁橫向剛度較大，盡管鋼箱梁寬度達55 m，但結構橫橋向變形基本一致[1]。

圖1 二恒作用下鋼箱梁橫橋向相對變形（相對于箱梁中線位置）

圖2 活載作用下鋼箱梁橫橋向相對變形（相對于箱梁中線位置）

自重、二恒和1/2活載下的鋼箱梁橫向累積相對變形在-2~1.6 mm。

3.2 鋼箱梁應力分析

賈魯河橋鋼箱梁橫向尺寸大，采用正交異性板結構，鋼箱梁空間受力效應明顯，采用桿系模型無法反映結構的空間應力分布。文章基于空間板殼模型，重點分析鋼箱梁在二恒和活載作用下的空間應力情況，并與梁單元計算結果進行對比以評估鋼箱梁的剪力滯效應。

以跨中一典型截面為例，對鋼箱梁頂板正應力沿橫橋向的分布進行分析，分析表明:自重作用下頂板正應力橫向分布變化范圍為3.45～13.07 MPa，二恒作用下頂板正應力橫向分布變化范圍為-7.71～13.55 MPa，自重作用下頂板正應力橫向分布變化范圍為-6.26～12.05 MPa。自重作用下鋼箱梁頂板正應力沿橫向分布不均勻性較二恒和活載下更突出。鋼箱梁截面剪力滯效應較明顯，二恒作用下最大剪力滯系數為1.21。

3.3 鋼箱梁施工過程應力控制

施工過程中對鋼箱梁的關鍵截面進行了應力監控，在環縫焊接工況下鋼箱梁應力變化的最大值為0.7 Mpa，在塔柱施工工況下跨中截面應力變化最大24.9 Mpa。應力監測數據表明，所有測點應力均未超出材料的強度設計值，說明施工過程結構處于安全狀態。

4 結語

文章對賈魯河橋鋼箱梁建立了精細的分析模型，首先通過混合單元模型與桿系模型的計算對比，驗證了混合單元模型計算的正確性。接著對自重、二恒和活載作用下的鋼箱梁橫向變形進行了分析，分析表明二恒作用下鋼箱梁橫向相對變形最大，其值為-2.8 mm。總體來看，鋼箱梁橫向剛度較均勻，鋼箱梁橫向變形基本一致。對自重、二恒和活載作用下的鋼箱梁應力分析表明:自重作用下頂板正應力橫向分布不均勻性最突出，變化范圍為3.45～13.07 MPa。總體來看，鋼箱梁應力具有較大的安全富余度（Q345鋼材強度設計值為275 MPa），但鋼箱梁截面剪力滯效應較明顯，二恒作用下最大剪力滯系數為1.21。對施工過程鋼箱梁關鍵截面的應力監控表明，施工過程測點結構最大應力均未超出鋼材強度設計值，結構受力處于安全狀態。