單箱單室曲線簡(jiǎn)支鋼箱梁靜力特性分析

方帥，張祥

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南京設(shè)計(jì)院，上海 210000）

鋼箱梁主要有質(zhì)量輕、節(jié)省鋼材、抗彎和抗扭剛度大、有利于提高架設(shè)效率、外觀美觀等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于城市橋梁和高速公路的建設(shè)。盡管鋼箱梁在結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)、美觀上優(yōu)勢(shì)明顯，但在具體進(jìn)行鋼箱梁分析時(shí)，由于鋼箱梁屬于薄壁結(jié)構(gòu)橋面板，為典型的正交異性板結(jié)構(gòu)，其在整體荷載、局部荷載作用下的受力行為非常復(fù)雜，處于一種彎、剪、扭的復(fù)雜受力狀態(tài)，因此，在設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行深入分析。本文以建寧西路B匝道跨徑60m簡(jiǎn)支鋼箱梁為背景，對(duì)曲線簡(jiǎn)支鋼箱梁進(jìn)行受力分析與計(jì)算，為今后鋼箱梁的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

建寧西路B匝道第二聯(lián)采用跨徑60m簡(jiǎn)支鋼箱梁，箱梁頂寬10.0m，底寬5.9m，翼緣懸臂長(zhǎng)1.45m，梁高3.0m，鋼箱梁橫斷面見圖1。箱梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板厚度為16mm，底板厚度為18mm（支點(diǎn)附近）、22mm（跨中），腹板厚度為16mm。鋼箱梁每隔3m交替設(shè)置實(shí)腹式橫隔板、框架式橫隔板，橫隔板間設(shè)置豎向加勁板，支座附近橫隔板加密，以增強(qiáng)其整體剛度。箱室頂、底板均采用U形縱肋，翼緣懸臂采用U形縱肋及扁鋼縱肋，腹板采用扁鋼縱肋。

圖1 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市主干道；（2）橋梁寬度設(shè)置：0.6m（防撞護(hù)欄）+8.8m（行車道）+0.6m（防撞護(hù)欄）；（3）設(shè)計(jì)行車速度：40km/h；（4）設(shè)計(jì)荷載：1.3倍公路-Ⅰ級(jí)；（5）行車道數(shù)量：雙向2車道；（6）橋面橫坡：?jiǎn)蜗?%；（7）結(jié)構(gòu)使用年限：100年；（8）地震動(dòng)峰值加速度：0.10g。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼橋面板為正交異性板結(jié)構(gòu)，由面板、縱肋及橫肋組成，共同工作。通常將其內(nèi)力分析分為三個(gè)體系進(jìn)行計(jì)算：

第一體系：橋面板與縱肋組成主梁上翼緣，與主梁共同形成主要承重構(gòu)件—主梁體系。此體系鋼箱梁產(chǎn)生整體變形，上翼緣有效分布寬度確定后，力學(xué)分析與一般梁相同，可按初等梁彎曲理論計(jì)算。

第二體系：縱肋、橫肋及橋面板組成橋面結(jié)構(gòu)—橋面結(jié)構(gòu)體系。橋面板可視為縱、橫肋共同的上翼緣，該體系支撐于主梁上，僅受橋面車輪荷載。第三體系：僅指橋面板，橋面板被視作支撐于縱、橫肋上的各向同性連續(xù)面板—面板體系。

第三體系的應(yīng)力主要是橋面板橫橋向的應(yīng)力，設(shè)計(jì)中通常只采用縱向的第一體系和第二體系應(yīng)力的組合，而忽略第三體系的應(yīng)力。第三體系的應(yīng)力通常是造成正交異性板疲勞的重要因素，進(jìn)行正交異性板疲勞驗(yàn)算時(shí)，必須考慮第三體系的應(yīng)力。本案例設(shè)計(jì)中，主要介紹第一體系、第二體系的計(jì)算及抗傾覆計(jì)算，因此，僅計(jì)算用第一體系、第二體系應(yīng)力，未計(jì)算第三體系應(yīng)力。

3.1 第一體系計(jì)算

（1）計(jì)算模型。按照桿系單元進(jìn)行鋼箱梁整體計(jì)算，共計(jì)梁?jiǎn)卧?2個(gè)，節(jié)點(diǎn)47個(gè)。

（2）邊界條件。B4#橋墩內(nèi)側(cè)支座采用雙向固定支座，外側(cè)支座采用橫橋向的單向活動(dòng)支座；B5#橋墩內(nèi)側(cè)支座采用順橋向的單向活動(dòng)支座，外側(cè)支座采用雙向活動(dòng)支座。

圖2 支座布置圖

（3）計(jì)算結(jié)果。

圖3 頂板應(yīng)力圖

圖4 底板應(yīng)力圖

在最不利組合下，頂板最大壓應(yīng)力為153.7MPa，底板最大拉應(yīng)力為188.8MPa。

3.2 第二體系計(jì)算

（1）方法一：方法一采用單根縱肋簡(jiǎn)化計(jì)算。橋面系體系計(jì)算。將面板及其縱肋在車輛荷載作用時(shí)按3m跨度（橫隔板間距）進(jìn)行內(nèi)力分析。根據(jù)規(guī)范，單個(gè)輪重70kN，輪寬0.6m，考慮橋面鋪裝后，作用于面板的長(zhǎng)度1.0m，偏于安全考慮，一個(gè)輪重橫向由一條縱肋承受，沖擊系數(shù)取0.4。單根縱肋恒載按3.3kN/m計(jì)。簡(jiǎn)支鋼箱梁在活載及恒載作用下的內(nèi)力由計(jì)算分析得到，活載（車輛荷載）作用下，頂板受最大應(yīng)力63.87MPa（已計(jì)沖擊系數(shù)0.4）。

（2）方法二：方法二采用空間板單元建模計(jì)算。選取第一體系中應(yīng)力較大的跨中區(qū)段，進(jìn)行第二體系計(jì)算。板單元模型取兩相鄰實(shí)腹式橫隔板間隔區(qū)段，其中包括兩相鄰實(shí)腹式橫隔板間的框架式橫隔板及豎向加勁板。模型選擇沿橋軸縱中心取6.8m長(zhǎng)的頂?shù)装濉⒏拱寮凹觿爬撸Ｐ途W(wǎng)格尺寸取100mm，邊界條件取腹板下翼緣鉸支固定。共計(jì)共計(jì)板單元14063個(gè)，節(jié)點(diǎn)12931個(gè)。根據(jù)規(guī)范單個(gè)輪重70kN，輪寬0.6m，車輪著地長(zhǎng)度0.6m、著地0.2m，考慮橋面鋪裝后，作用于面板的長(zhǎng)度1.0m、寬度0.6m，沖擊系數(shù)取0.3。恒載考慮橋面鋪裝。簡(jiǎn)支鋼箱梁在活載及恒載作用下的內(nèi)力由計(jì)算分析得到，活載（車輛荷載）作用下，頂板受最大應(yīng)力32.50MPa，考慮沖擊系數(shù)取0.4，活載作用下頂板受最大應(yīng)力45.5MPa。

（3）方法一、二結(jié)果對(duì)比：由方法一與方法二計(jì)算結(jié)果可知，第二體系計(jì)算過程中，兩種方法對(duì)恒載作用的影響有限，方法一采用單根縱肋簡(jiǎn)化計(jì)算在活載（車輛荷載）作用下，得出的結(jié)果偏于保守。

4 抗傾覆計(jì)算

橋梁傾覆過程中存在2個(gè)明確特征狀態(tài)：特征狀態(tài)1，箱梁?jiǎn)蜗蚴軌褐ё_始脫離受壓；特征狀態(tài)2，箱梁抗扭支承全部失效。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）4.2.2，梁橋在持久狀況下，結(jié)構(gòu)體系不應(yīng)發(fā)生改變，并規(guī)定：（1）在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)；（2）整聯(lián)只采用單向受壓支座支承時(shí)，應(yīng)符合下式要求：

式中：

kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取=2.5。

∑Sbk,i=∑RGkili為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用基本組合（分項(xiàng)系數(shù)均為1.0）的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

∑Ssk,i=∑RQkili為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的作用基本組合（分項(xiàng)系數(shù)均為1.0）的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

本案例鋼箱梁橋位于緩和曲線和左偏圓曲線上，圓曲線半徑220m，支座布置如圖7所示，分別考慮外側(cè)支座（44、46）脫空、內(nèi)側(cè)支座（45、47）脫空時(shí)橋梁的抗傾覆能力，抗傾覆計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 外側(cè)支座脫空抗傾覆驗(yàn)算

表2 內(nèi)側(cè)支座脫空抗傾覆驗(yàn)算

由上表可知，由于曲線橋在車輛偏載作用下，內(nèi)側(cè)支座較外側(cè)支座穩(wěn)定系數(shù)小，更容易發(fā)生脫空。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼箱梁與混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有節(jié)省鋼材、抗彎和抗扭剛度大、有利于提高架設(shè)效率等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用在城市建設(shè)中。本文通過對(duì)案例工程曲線簡(jiǎn)支鋼箱梁的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)闡述了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，為以后同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

（2）在計(jì)算第二體系應(yīng)力時(shí)，桿系單元模型建模簡(jiǎn)單，但計(jì)算結(jié)果較為保守，偏安全；相比之下，板殼單元模型最接近真實(shí)狀態(tài)，更加符合實(shí)際，結(jié)果也更加準(zhǔn)確，但其計(jì)算比較復(fù)雜、工作量大，設(shè)計(jì)中較少采用。因此，在鋼箱梁計(jì)算分析過程中，可根據(jù)實(shí)際情況及需求選擇合適算法。

（3）與直橋相比，曲線橋支座反力分布不均勻，曲線內(nèi)側(cè)支座更容易發(fā)生脫空，在設(shè)計(jì)和傾覆驗(yàn)算過程中，須按照道路超載情況留有一定安全儲(chǔ)備，避免因超載引起的橋梁傾覆事故。

（4）簡(jiǎn)支鋼箱梁計(jì)算除需考慮上述計(jì)算結(jié)果外，還應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、正交異性板疲勞、支座局部承壓等項(xiàng)目的計(jì)算分析。