鴨綠江界河公路大橋主橋鋼箱梁的力學(xué)行為研究

王曉峰

(太原市市政公用工程質(zhì)量安全站(太原市軌道交通建設(shè)服務(wù)中心)，山西 太原 030021)

1 概述

本文以鴨綠江界河公路大橋為例，該橋總長為1 266 m，主跨為636 m，主橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，連續(xù)半漂浮體系[1]。主橋中跨主梁采用整體式正交各項異性鋼箱梁，邊跨主梁采用鋼箱結(jié)合梁，主梁輪廓總高度為3.5 m，輪廓總寬度為33.5 m；斜拉索為扇形布置，采用7 mm高強度鋅鋁合金鍍層平行鋼絲，主梁上的標(biāo)準(zhǔn)索距16.0 m，全橋共4×19對斜拉索；橋塔采用無下橫梁H形混凝土塔，高194.6 m，基礎(chǔ)采用啞鈴形整體基礎(chǔ)[2-4]?；A(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，輔助墩及過渡墩采用箱型墩，橋跨分別為(86+229+636+229+86)m(18號～23號橋墩)，如圖1所示。項目滿足雙向通航398 m，橋梁設(shè)計荷載采用公路-Ⅰ級，按雙向八車道高速公路設(shè)計，設(shè)計速度100 km/h，主橋通航等級為Ⅰ-(1)級航道，主橋采用50年10%和50年2%兩種超越概率地震動進行抗震設(shè)防。

2 主橋中跨主梁和邊跨主梁設(shè)計

主橋中跨主梁采用整體鋼箱梁結(jié)構(gòu)，選用的材料為Q345低合金鋼，其屈服強度為345 MPa。中跨主梁的整體高度為4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為15 m，整體寬度為48 m，在中跨主梁的縱向方向設(shè)置4道腹板，中腹板之間的間距為18.25 m，在外側(cè)重車道采用實腹式隔板，在中間輕車道采用桁架式隔板，主橋中跨主梁橫斷面示意圖如圖2所示。頂板厚度分別在重車道和輕車道區(qū)域為20 mm和15 mm，底板的整體厚度為10 mm[5]。在頂板和底板處均增加U形肋板來保證結(jié)構(gòu)強度和剛度，主橋中跨主梁的U形肋板如圖3所示。

主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預(yù)制混凝土板相結(jié)合結(jié)構(gòu)，其中，在墩頂區(qū)域，邊跨主梁選用材料為Q370低合金鋼，其屈服強度為370 MPa。在其他區(qū)域，邊跨主梁選用材料為Q345低合金鋼，其屈服強度為345 MPa。鋼箱梁與預(yù)制混凝土板通過濕接縫與剪力釘固定，邊跨主梁的整體高度為4.49 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為12 m，整體寬度為48 m。在邊跨主梁的縱向方向設(shè)置4道腹板，中腹板之間的間距為18.25 m，在外側(cè)重車道采用實腹式隔板，在中間輕車道采用桁架式隔板。頂板上部通過設(shè)計縱橫交錯式結(jié)構(gòu)來預(yù)設(shè)預(yù)制混凝土板，預(yù)制混凝土板的厚度為37 mm。同樣地，在底板處增加U形肋板來保證結(jié)構(gòu)強度和剛度，底板的整體厚度為10 mm。主橋邊跨主梁橫斷面示意圖如圖4所示。

3 主橋鋼箱梁的力學(xué)分析

3.1 輔助墩對主橋鋼箱梁的影響

通過采用數(shù)值分析軟件建立全橋的結(jié)構(gòu)模型，對主橋鋼箱梁的結(jié)構(gòu)強度進行計算分析。首先通過設(shè)計輔助墩的位置來確定主橋鋼箱梁的位移和彎矩。通過對比設(shè)置的A位置(第11根拉索固定點處)、B位置(第13根拉索固定點處)和C位置(第15根拉索固定點處)三種輔助墩的位置來分析輔助墩的位置分布對主橋位移和彎矩的影響。主橋塔頂水平位移隨A,B,C三種輔助墩的位置的變化情況如圖5(a)所示。結(jié)果表明，輔助墩的設(shè)計明顯降低主塔塔頂?shù)乃轿灰?，設(shè)置輔助墩的主塔塔頂水平位移是不設(shè)置輔助墩的20%～50%。并且得出A位置處的位置最小，因此設(shè)置輔助墩的位置越靠近塔根部位位移越小，結(jié)構(gòu)越安全。此外，設(shè)置輔助墩可以降低塔的根部彎矩，如圖5(b)所示，設(shè)置輔助墩的主塔塔頂彎矩是不設(shè)置輔助墩的30%～40%。

3.2 主橋鋼箱梁的結(jié)構(gòu)強度

主橋鋼箱梁在集中載荷作用下的跨中撓度為1 240 mm，其撓跨比為1/765，小于規(guī)范規(guī)定的1/400的要求，說明主橋鋼箱梁具有較好的豎向剛度。計算結(jié)果表明：主橋中跨鋼箱梁上部的最大壓應(yīng)力為126 MPa，鋼箱梁下部的最大壓應(yīng)力為172 MPa。主橋邊跨鋼箱梁上部最大壓應(yīng)力為180 MPa，最大拉應(yīng)力為175 MPa，鋼箱梁下部的最大壓應(yīng)力為200 MPa，最大拉應(yīng)力為90 MPa。主橋邊跨預(yù)制混凝土板最大壓應(yīng)力為17.5 MPa；輔助墩上部區(qū)域預(yù)制混凝土板拉應(yīng)力為20.1 MPa。結(jié)合材料的材料參數(shù)，所有強度計算結(jié)果都小于材料的許用屈服應(yīng)力，滿足規(guī)范和施工要求[6]。

此外，主橋邊跨主梁除承受軸向拉壓外，在輔助墩處還承受較大的剪力和彎矩。為了研究主橋邊跨主梁腹板剪力變化規(guī)律，建立全橋有限元模型，對邊跨主梁腹板進行受力分析，主梁的上下板件采用板殼單元模擬。圖6給出了主橋邊跨主梁中腹板和邊腹板處的剪力值。由圖6可以得出：在集中載荷作用下，輔助墩處中腹板剪力變化劇烈，其剪力值遠(yuǎn)大于邊腹板，因此，主梁輔助墩處的剪力大部分由中腹板承擔(dān)。由輔助墩2到橋塔區(qū)間內(nèi)，邊腹板和中腹板的剪力差逐漸縮小，在橋塔根部處，邊腹板和中腹板的剪力差最小。

3.3 主橋鋼箱梁縱向應(yīng)力分析

主橋鋼箱梁由于在輔助墩處承受較大的剪力和彎矩，因此鋼箱梁翼緣處的壓應(yīng)力會隨著肋板間距的變化而變化。根據(jù)前人的研究，鋼箱梁翼緣在寬度方向受到的彎曲應(yīng)力呈現(xiàn)出不均勻分布的現(xiàn)象，即剪力滯效應(yīng)[7-8]。主橋鋼箱梁除了受彎曲應(yīng)力外，其還受到斜拉索的拉力分量-軸向力，而軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力相疊加會使翼緣處的應(yīng)力更加不均勻。因此，主橋鋼箱梁翼緣處的縱向應(yīng)力的剪力滯效應(yīng)是由彎曲應(yīng)力、軸向應(yīng)力和斜拉索拉力共同引起的[9-10]。理論上，剪力滯效應(yīng)可由剪力滯系數(shù)來表征，主橋鋼箱梁縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)可表示為:

(1)

其中，σf為主橋鋼箱梁受到的縱向應(yīng)力極值;σm為主橋鋼箱梁受到的平均應(yīng)力值。

通過有限元計算可以得到主橋鋼箱梁中跨和邊跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)，如圖7所示。由圖7(a)可知，主橋鋼箱梁在均布載荷作用下中跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)小于邊跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)。中跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)分布在α=1.0～1.5區(qū)間內(nèi)，靠近跨中部位鋼箱梁下部和上部的剪力滯系數(shù)分別為α=1.44和α=1.46，并且整體上中跨的下部的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于上部。由圖7(b)可知，主橋鋼箱梁在均布載荷作用下邊跨在邊墩、輔助墩和橋塔處的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于別的位置。邊跨預(yù)制混凝土板下部的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于上部。對于主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預(yù)制混凝土板相結(jié)合結(jié)構(gòu)，其縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)高于預(yù)制混凝土板，且最大值達到α=1.95。

4 結(jié)論

本文基于鴨綠江界河公路大橋工程實例，通過對主橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)的受力分析，并通過有限元計算，得出了以下結(jié)論：

1)輔助墩的設(shè)計明顯降低主塔塔頂?shù)乃轿灰?，設(shè)置輔助墩的主塔塔頂水平位移是不設(shè)置輔助墩的20%～50%。設(shè)置輔助墩的主塔塔頂彎矩是不設(shè)置輔助墩的30%～40%。

2)主橋整體和局部的強度計算結(jié)果都小于材料的許用屈服應(yīng)力，滿足規(guī)范和施工要求。輔助墩處中腹板的剪力值遠(yuǎn)大于邊腹板，主梁輔助墩處的剪力大部分由中腹板承擔(dān)。由輔助墩2到橋塔區(qū)間內(nèi)，邊腹板和中腹板的剪力差逐漸縮小，在橋塔根部處，邊腹板和中腹板的剪力差最小。

3)主橋鋼箱梁由于在輔助墩處承受較大的剪力和彎矩，因此鋼箱梁翼緣處的壓應(yīng)力會隨著肋板間距的變化而變化。主橋鋼箱梁在均布載荷作用下中跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)小于邊跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)。邊跨預(yù)制混凝土板下部的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于上部。對于主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預(yù)制混凝土板相結(jié)合結(jié)構(gòu)，其縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)高于預(yù)制混凝土板。