多跨連續(xù)鋼箱梁匝道橋上部結(jié)構(gòu)靜力特性分析

王子豪

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與防腐技術(shù)快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程不斷加快，連續(xù)鋼箱梁橋因其輕質(zhì)高強(qiáng)、跨越能力大、美觀、施工周期短、便于橋下交通組織等特點(diǎn)而在城市互通立交、城市高架橋中被大量使用[1]。

受限于橋下復(fù)雜的道路交通狀況，用作匝道橋的連續(xù)鋼箱梁橋跨徑組合種類往往較多，且相較于混凝土梁，鋼箱梁剪力滯效應(yīng)[2]及橋面板二、三體系效應(yīng)更為突出，其強(qiáng)度性能值得進(jìn)一步探究。而由于鋼箱梁自重較輕，在實(shí)際工程建設(shè)中又常為彎橋，且多有小半徑線型，其在運(yùn)營(yíng)過程中易出現(xiàn)支座脫空的問題。同時(shí)，支座脫空引起橋梁傾覆的事件在過去亦發(fā)生過多起[3]，因而，對(duì)于鋼箱梁支反力變化規(guī)律的分析及脫空問題優(yōu)化改進(jìn)措施的探討是十分必要的。

1 工程概況

本項(xiàng)目為汕頭市海濱路西沿線西堤互通立交，共A-F 六座匝道橋，全橋皆為連續(xù)鋼箱梁橋，采用Q345qD鋼板，主要板厚范圍為12～20mm。橋梁梁高為1.8m，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為9.5m，頂板縱向加勁肋形式為U 肋及板肋，腹板及底板加勁肋為板肋，懸臂翼緣長(zhǎng)度為1.75m，主梁截面如圖1 所示。本互通分聯(lián)形式以兩跨一聯(lián)及三跨一聯(lián)為主，跨徑范圍為25～40m，路線最小線型曲率半徑為50m，活載采用公路-Ⅰ級(jí)單向雙車道荷載。

圖1 鋼箱梁截面示意圖

2 計(jì)算模型

以空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛠碛?jì)算分析連續(xù)鋼箱梁整體靜力特性，同時(shí)借由建立空間板單元模型來考慮車輛荷載作用下鋼橋面板二、三體效應(yīng)。

2.1 空間梁?jiǎn)卧Ｐ?/h3>

根據(jù)西堤互通匝道橋各聯(lián)連續(xù)鋼箱梁跨徑組合情況及本文分析需要，采用Midas 有限元分析軟件建立了多種跨徑組合的空間梁?jiǎn)卧Ｐ停渲校缫宦?lián)模型劃分為68 個(gè)節(jié)點(diǎn)，51 個(gè)單元；兩跨一聯(lián)模型劃分為47個(gè)節(jié)點(diǎn)，34 個(gè)單元。在計(jì)算分析時(shí)，將防撞欄桿，橋面鋪裝等二期恒載化為梁?jiǎn)卧奢d作用在主梁之上，橫隔板以節(jié)點(diǎn)荷載的形式作用在橫隔板位置，不考慮其對(duì)剛度的貢獻(xiàn)。以三跨一聯(lián)為例，橋梁空間梁?jiǎn)卧Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 全橋空間梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ?/p>

2.2 空間板單元模型

本模型主要用于計(jì)算橋面板第二體系和第三體系的受力狀況，因而采用大型通用有限元軟件ANSYS 選取橋梁跨中位置處12m 節(jié)段進(jìn)行局部精細(xì)化分析。鋼梁采用SHELL181 板殼單元進(jìn)行模擬，此單元具有4 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)單元有6 自由度，適于板殼體分析。空間板單元模型如圖3 所示。荷載為車輪荷載，以板單元壓力荷載的形式加載，車輪荷載按單個(gè)車輪70kN 計(jì)。

圖3 空間板單元有限元模型

3 鋼箱梁主梁應(yīng)力分析

3.1 板厚設(shè)置原則

本文鋼箱梁整體計(jì)算模型采用板厚原則如表1 所示。

表1 鋼梁主要板厚原則

3.2 橋面板局部效應(yīng)計(jì)算

3.3 強(qiáng)度限值

依據(jù)對(duì)局部模型進(jìn)行車輪加載計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪對(duì)縱橋向于節(jié)段中心加載而橫橋向偏單側(cè)加載時(shí)橋面板局部等效正應(yīng)力最大。橋面板縱橫向加載位置分別見圖4 及圖5，此工況下，提取加載位附近縱向4m 長(zhǎng)度橋面板等效正應(yīng)力，如圖6 所示。

可見，在車輛荷載作用下橋面板二、三體系產(chǎn)生最大的局部正應(yīng)力為54.9MPa，而考慮計(jì)算組合分項(xiàng)系數(shù)后，其組合值將超過70MPa。

依照規(guī)范[4]計(jì)算所得鋼梁剪力滯后折減系數(shù)則如表2 所示。

表2 剪力滯效應(yīng)折減系數(shù)

圖4 車輪荷載縱向加載示意

圖5 車輪荷載橫向加載示意

圖6 橋面板等效應(yīng)力云圖/Pa

根據(jù)規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG D64-2015》[4]，鋼板抗拉壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為270MPa，抗剪強(qiáng)度為150Mpa。綜合考慮二、三體系效應(yīng)及剪力滯后效應(yīng)后，鋼箱梁頂?shù)装蹇估瓑簭?qiáng)度限值如表3 所示，腹板抗剪強(qiáng)度限值則取為150MPa。

表3 鋼箱梁頂?shù)装謇瓑簭?qiáng)度限值

3.4 整體模型應(yīng)力計(jì)算

對(duì)3×25m、3×30m、3×35m、3×40m、2×35m、2×40m 六種跨徑組合直線線型橋梁工況建立空間梁?jiǎn)卧Ｐ停⑦M(jìn)行靜力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。其中，頂?shù)装褰Y(jié)果為正應(yīng)力，正負(fù)符號(hào)分別表示拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，而腹板結(jié)果則為剪應(yīng)力。

由計(jì)算結(jié)果可知，成橋狀態(tài)下頂?shù)装遄畲笳龖?yīng)力發(fā)生在墩頂；活載作用下頂?shù)装遄畲笳龖?yīng)力則發(fā)生于跨中；單跨同跨徑時(shí)，兩跨連續(xù)梁成橋應(yīng)力大于三跨連續(xù)梁而活載應(yīng)力則區(qū)別不大；另外，本計(jì)算中所有工況基本組合應(yīng)力皆能低于限值，說明本文板厚原則的制定符合設(shè)計(jì)受力要求。

表4 鋼梁拉壓強(qiáng)度限值

4 鋼箱梁主梁支反力分析

由于鋼梁自重相對(duì)較輕，因而在外部荷載作用下，可能出現(xiàn)支座反力過小甚至脫空的現(xiàn)象，本節(jié)將對(duì)影響最小支反力的因素和脫空問題的改進(jìn)措施進(jìn)行分析及探討。

4.1 跨徑組合對(duì)支反力的影響

為分析不同跨徑組合下路線直線線型鋼箱梁最小支點(diǎn)反力水平及變化規(guī)律，計(jì)算了多種工況下邊、中支點(diǎn)最小支反力結(jié)果，詳見表5。

圖7 不同邊跨跨徑下邊支點(diǎn)最小支反力圖

表5 最小支座反力

可見，中支點(diǎn)最小支反力數(shù)值水平較高，而邊支點(diǎn)支反力相對(duì)較小且出現(xiàn)負(fù)值，即發(fā)生脫空現(xiàn)象。下面將進(jìn)一步分析中跨跨徑為40m，邊跨跨徑增大，及邊跨跨徑為25m，中跨跨徑增大兩種情況對(duì)邊支點(diǎn)最小支反力的影響規(guī)律，詳見圖7 與圖8。

圖8 不同中跨跨徑下邊支點(diǎn)最小支反力圖

由圖可知，中跨跨徑不變時(shí)，邊跨跨徑增大邊支點(diǎn)最小支反力將增大；邊跨跨徑不變時(shí)，中跨跨徑增大將使邊支點(diǎn)最小支反力減小。

4.2 線形半徑對(duì)支反力的影響

為探討分析鋼箱梁路線線形半徑對(duì)最小支反力的影響規(guī)律，對(duì)（25+40+25）m 跨徑組合建立了多種線型半徑下的模型工況，計(jì)算結(jié)果如表6 所示，而邊、中支點(diǎn)隨半徑的變化規(guī)律則見圖9、圖10。

表6 最小支座反力

圖9 不同線型半徑下邊支點(diǎn)最小支反力圖

圖10 不同線型半徑下中支點(diǎn)最小支反力圖

可見，鋼箱梁邊、中支點(diǎn)最小支反力皆隨線型半徑增大而增大，且增長(zhǎng)幅度逐漸放緩；而在所有工況中，鋼箱梁線形外側(cè)邊支點(diǎn)最小反力皆小于內(nèi)側(cè)，但外側(cè)中支點(diǎn)最小反力皆大于內(nèi)側(cè)。

4.3 支反力改進(jìn)措施

以（25+40+25）m 跨徑組合、路線線型半徑為100m的連續(xù)鋼箱梁模型為例，針對(duì)鋼箱梁邊支點(diǎn)脫空的問題，考慮對(duì)鋼箱梁邊支點(diǎn)附近區(qū)域灌注混凝土進(jìn)行壓重以抵消支點(diǎn)負(fù)反力。對(duì)邊支點(diǎn)附近0.5m、1m、1.5m、2.0m范圍內(nèi)鋼箱梁灌注混凝土以進(jìn)行壓重，邊支點(diǎn)最小支座反力計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

表7 最小支座反力

圖11 不同線型半徑下中支點(diǎn)最小支反力圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨著邊支點(diǎn)附近壓重范圍增大，邊支點(diǎn)最小支反力逐漸增大并由負(fù)反力變?yōu)檎戳Γ梢姡瑢?duì)支點(diǎn)附近鋼箱梁進(jìn)行適量壓重能有效改善支座脫空問題。

5 結(jié)論

⑴建立鋼箱梁節(jié)段空間板單元模型并采用局部輪載計(jì)算了橋面板二、三體系應(yīng)力，以規(guī)范限值為基礎(chǔ)，在考慮鋼箱梁二、三體系效應(yīng)及剪力滯效應(yīng)的情況下制定了鋼箱梁強(qiáng)度限值。

⑵建立了連續(xù)鋼箱梁多種跨徑組合的空間梁?jiǎn)卧Ｐ停⑦M(jìn)行靜力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)橋梁成橋狀態(tài)下墩頂頂?shù)装逭龖?yīng)力最大；活載作用下跨中頂?shù)装逭龖?yīng)力最大；同單跨跨徑下，兩跨連續(xù)梁成橋應(yīng)力大于三跨連續(xù)梁而活載應(yīng)力則區(qū)別不大；基本組合作用下，本計(jì)算中所有工況應(yīng)力皆能滿足限值要求，說明本文板厚原則設(shè)計(jì)合理。

⑶探討了不同跨徑組合下路線直線線型鋼箱梁最小支點(diǎn)反力水平及變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)中支點(diǎn)最小支反力數(shù)值水平較高，而邊支點(diǎn)支反力相對(duì)較小且出現(xiàn)負(fù)值，即發(fā)生脫空現(xiàn)象；進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)中跨跨徑不變時(shí)，邊跨跨徑增大邊支點(diǎn)最小支反力將增大；邊跨跨徑不變時(shí)，中跨跨徑增大將使邊支點(diǎn)最小支反力減小。

⑷探究了鋼箱梁路線線形半徑對(duì)最小支反力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)線型半徑增大將會(huì)使鋼箱梁邊、中支點(diǎn)最小支反力增大，且增長(zhǎng)幅度逐漸放緩；鋼箱梁線形外側(cè)邊支點(diǎn)最小反力皆小于內(nèi)側(cè)，但外側(cè)中支點(diǎn)最小反力皆大于內(nèi)側(cè)。

⑸嘗試采用對(duì)邊支點(diǎn)附近區(qū)域鋼箱梁灌注混凝土的方式進(jìn)行壓重以改善邊支點(diǎn)脫空問題，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著壓重范圍增大，邊支點(diǎn)支反力由負(fù)轉(zhuǎn)正，說明壓重措施是有效的。