南泉立交主線橋預制鋼箱梁設計與分析

王憲明 譚真 劉磊 蒲魏軍 付抗 王鴻儒 吳博文

摘要 渝黔復線高速南泉立交主線鋼箱梁跨徑大、橋面寬、風險系數較高。為驗算橋梁安全性，保證交通運輸安全，文章通過有限元建模分析，對主梁開展受力及變形計算研究。結果表明：承載力極限狀態下，箱梁支座及跨中為內力的最大值位置，其最大拉壓應力、最大剪應力均遠小于鋼材強度設計值，鋼箱梁最大撓度遠小于規范設計要求，結構受力、變形安全可靠，滿足規范設計要求。

關鍵詞 鋼箱梁；數值模擬；大跨度；結構驗算

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0153-03

0 引言

隨著我國橋梁建設的發展，鋼箱橋在公路橋梁的應用逐漸增多，其在交通工程中的地位日益凸顯[1-2]，而鋼箱連續梁橋因全橋剛度大、整體性好、溫度徐變小等突出優勢，得到了廣泛應用[3]。我國鋼箱梁橋的應用相對較晚，但其發展勢頭迅猛，國內學者對鋼箱梁橋開展了較為系統的科學研究，并取得了豐碩的研究成果和良好的社會經濟效益[4-5]。

由于梁體是由薄壁鋼板焊接而成，結構穩定性相比混凝土橋梁較差，若不能保證足夠的剛度將會造成局部屈曲或結構失穩[6]。該文以渝黔復線項目南泉立交主線2號橋為工程研究對象，開展橋梁的數值模擬研究，分析主梁的受力特征，對鋼箱梁的安全性進行評價。

1 工程概況

渝黔復線高速公路連接道工程為成渝高速擴能東段，全長約10.7 km，屬于城市快速路。南泉立交為項目三大互通立交之一，其中主線2號橋共11跨，第一、第二跨徑分別為40 m、45 m，采用鋼箱梁的形式；其余跨徑較小，采用預應力混凝土的形式。鋼箱梁梁高為2.1 m，橋寬為22.3 m，橋面兩端不固結。橋梁立面布置圖、橫斷面布置圖分別見圖1～2所示。

2 數值模擬

2.1 荷載取值及材料力學參數

結構設計安全等級為一級。永久荷載包括結構自重、橫隔板、路面鋪裝層、防撞護欄等，可變荷載包括汽車荷載效應、整體溫度荷載、梯度溫度等。

鋼材為Q345qD鋼，其彈性模量E為2.1×105 MPa；剪切模量G為0.81×105 MPa；抗拉、抗壓及抗彎強度設計值為270 MPa；抗剪強度設計值為155 MPa。

2.2 有限元模型建立

采用橋梁專用的有限元軟件，建立鋼箱梁的有限元模型。上部結構為“40 m+45 m”連續鋼箱梁結構，梁高為2.1 m，采用四箱單室箱形截面；橋梁寬度22.327～24.186 m，采用三維梁單元建立梁格模型。

3 計算結果

3.1 結構內力圖

通過有限元模型分析可以得到鋼箱梁的受力狀態，現對其中幾個關鍵階段的受力狀態進行靜力分析。如圖3～5所示分別為主梁恒載內力圖、主梁活載內力圖和基本組合內力包絡圖。由圖可知，主梁最大正彎矩為19 210 kN·m，位于45 m跨間距的中間位置；主梁最大負彎矩為22 413 kN·m，位于中間支座位置；主梁最大剪應力為4 046 kN，位于中間支座位置。

3.2 結構應力驗算

如圖6～8所示分別為主梁在恒荷載、活荷載、組合荷載工況下的應力圖。恒載作用下，單梁計算截面最大壓應力為82.8 MPa，最大拉應力為70.5 MPa；活載作用下，單梁計算截面最大壓應力為51.1 MPa，最大拉應力為63.2 MPa；組合荷載作用下，單梁計算截面最大壓應力為111.2 MPa，最大拉應力為95 MPa。Q345鋼的正應力強度設計值為270 MPa，主梁強度滿足規范要求。

根據已有的相關計算研究表明，曲線鋼箱梁在考慮箱梁約束扭轉畸變應力、薄壁箱梁剪力滯效應以及結構三個基本體系應力疊加的影響后，其截面應力較按三維梁單元模型的計算應力提高20%～30%。該次計算綜合考慮箱梁曲率半徑、橋面橫坡、橋梁寬跨比等各種因素，可按三維梁單元模型計算應力增大50%，以考慮畸變應力、薄壁箱梁剪力滯效應以及正交異性橋面板二三體系應力與第一體系應力疊加的影響。該次三維梁單元計算模型的截面最大正應力為111.2 MPa，考慮增大系數后為166.8 MPa，小于Q345鋼材的強度設計值270 MPa，滿足規范要求。

3.3 撓度驗算

汽車組合作用下主梁的最大撓度為24.4 mm，撓度跨度比為24.4/45 000=1/1 844，遠小于規范容許的撓度跨度比1/500，故主梁剛度滿足規范要求。

4 結論

（1）鋼箱梁的內力最大位置位于中間支座和45 m寬間距的中間部位。

（2）鋼箱梁的最大拉/壓應力為115 MPa，遠小于Q345鋼的強度設計值，結構受力安全可靠。

（3）鋼箱梁最大撓度為24.4 mm，撓度跨度比為1/1 844，小于規范1/500的設計要求，結構變形安全可靠。

參考文獻

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