羅 旭

1 概述

隨著我國(guó)城市化的日益發(fā)展和道路交通需求的增加，城市高架道路系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。隨著鋼鐵工業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)立交橋的數(shù)量也在不斷增加，箱形截面抗扭剛度大、整體性好的特點(diǎn)使得鋼箱梁結(jié)構(gòu)在橋梁設(shè)計(jì)及建造過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為主梁形式的首選。在市區(qū)進(jìn)行立交工程施工，難免會(huì)阻隔路面交通，對(duì)周邊環(huán)境造成較大的影響，而鋼結(jié)構(gòu)立交橋所用的鋼箱梁節(jié)段可在鋼構(gòu)件加工工廠進(jìn)行預(yù)制加工和防腐噴涂，待加工完成后再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接安裝，可大大縮短工期。所以，從某種程度上來(lái)說(shuō)，鋼箱梁立交橋的設(shè)計(jì)和施工順應(yīng)了未來(lái)城市立交的發(fā)展趨勢(shì)。

2 鋼箱梁空間有限元模型的建立

云溪路轉(zhuǎn)科韻北路跨線橋主橋采用(28+2×39+28)m連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁處于59.1 m的圓曲線及緩和曲線上，橋面寬度為9.03 m ～10.8 m，翼板寬度為1.915 m ～2.8 m，預(yù)制箱寬5.2 m(含腹板厚度)，箱體凈高1.4 m(腹板高)。沿橋梁縱向每隔5.7 m設(shè)一道橫向強(qiáng)加勁肋，兩道強(qiáng)加勁肋之間平均設(shè)兩道橫向弱加勁肋。橋面鋪裝上層為10 cm厚瀝青混凝土，下層為12 cm厚的C40鋼纖維混凝土，兩側(cè)防撞欄每側(cè)寬50 cm。

本次分析計(jì)算采用大型通用有限元程序ANSYS，箱梁頂板、底板、翼板、腹板、橫梁、橫向強(qiáng)加勁及橫向弱加勁等用空間殼單元Shell63模擬，縱向加勁肋用空間梁?jiǎn)卧狟eam4模擬，橋面12 cm厚鋼纖維混凝土結(jié)合層用三維體單元Solid45模擬，全橋共有187 506個(gè)空間殼單元，25 180個(gè)空間梁?jiǎn)卧?8 814個(gè)空間實(shí)體單元。鋼箱梁5個(gè)支點(diǎn)橫向均設(shè)置雙支座，全橋共10個(gè)支座，其中1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)支點(diǎn)曲線外側(cè)的支座均為豎向約束，曲線內(nèi)側(cè)的支座沿徑向和豎向進(jìn)行約束;3號(hào)支承處曲線外側(cè)的支座沿切向和豎向進(jìn)行約束，曲線內(nèi)側(cè)的支座沿徑向、切向和豎向進(jìn)行約束。

考慮到施工過(guò)程結(jié)構(gòu)體系的變化，計(jì)算應(yīng)力的時(shí)候采用鋼箱梁模型，將結(jié)合層作為二期恒載施加于鋼梁上，不考慮結(jié)合層與鋼梁之間的疊合作用，計(jì)算撓度時(shí)則采用鋼—混凝土的疊合梁模型，即在鋼箱梁模型的基礎(chǔ)上，采用Solid45體單元模擬鋼纖維混凝土結(jié)合層。

3 空間有限元分析計(jì)算結(jié)果

3.1 恒載計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，恒載作用下的荷載工況為:鋼箱梁和箱內(nèi)混凝土壓重塊等效荷載+二期恒載。

在ANSYS中，通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)重力加速度(g=9.8 N/kg)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼箱梁和結(jié)合層部分的自重，支點(diǎn)橫梁處混凝土壓重及二期恒載則以面均布荷載施加于鋼箱梁頂板，其中，二期恒載折算面荷載為:

1)行車道部分=26 000 N/m3×0.12 m(疊合梁混凝土部分厚)+23 000 N/m3×橋面鋪裝層厚0.1 m=5 420 N/m2。

2)防撞墻部分=0.457 m2(防撞墻橫向面積)×26 000 N/m3÷0.5 m(防撞墻橫向?qū)挾?+26 000 N/m3(混凝土容重)×0.12 m(疊合梁混凝土部分厚)=26 884 N/m2。

3.2 汽車活載計(jì)算

3.2.1 橫橋向最不利汽車活載布置

由于ANSYS程序?yàn)橥ㄓ糜邢拊浖瑳]有按我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范定制的相關(guān)荷載及相應(yīng)的縱橫向影響線自動(dòng)加載功能，因此，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，確定最不利的加載方式。根據(jù)JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，汽車活載采用公路Ⅰ級(jí)車道荷載:均布面荷載q=10.5 kN/m(公路Ⅰ級(jí)均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值)÷1.8 m(假定輪壓寬度)=5.833 kN/m2;集中荷載 P=180+(360－180)×(39－5)÷(50－5)=316 kN。

經(jīng)對(duì)比計(jì)算，橫橋向雙車道偏置在曲線梁的外側(cè)時(shí)，汽車活載的作用效應(yīng)最大，因此橫橋向的荷載布置情況如圖1所示。

3.2.2 縱橋向最不利汽車荷載布置

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照如下方式給出各控制截面最不利內(nèi)力(第一跨跨中、2號(hào)支點(diǎn)、第二跨跨中和3號(hào)支點(diǎn))的縱向影響線加載方式。

1)第一跨跨中最大正彎矩。對(duì)第一跨跨中截面進(jìn)行縱向影響線加載，即在第一跨和第三跨布置車道面均布荷載q，在第一跨跨中布置車道集中荷載P。

2)2號(hào)支點(diǎn)最大負(fù)彎矩。對(duì)2號(hào)支點(diǎn)截面進(jìn)行縱向影響線加載，即在第一跨、第二跨和第四跨布置車道面均布荷載q，在第一跨跨中附近布置車道集中荷載P。

3)第二跨跨中最大正彎矩。對(duì)第二跨跨中截面進(jìn)行縱向影響線加載，即在第二跨和第四跨布置車道面均布荷載q，在第二跨跨中布置車道集中荷載P。

4)3號(hào)支點(diǎn)最大負(fù)彎矩。對(duì)3號(hào)支點(diǎn)截面進(jìn)行縱向影響線加載，即在第二跨和第三跨布置車道面均布荷載q，在第二跨跨中附近布置車道集中荷載P。

限于篇幅，在此僅給出第一跨跨中的縱向影響線加載方式如圖2所示。

3.3 荷載組合

根據(jù)以上各種工況下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行荷載組合，得到各控制截面的最大等效應(yīng)力如表1所示，腹板的最大剪應(yīng)力如表2所示。

表1 各控制截面最大組合等效應(yīng)力 MPa

表2 各控制截面最大組合剪應(yīng)力 MPa

從表1，表2中的數(shù)據(jù)可以看出，荷載組合后各控制截面的最大等效應(yīng)力(SEQV)和最大剪應(yīng)力均滿足Q345鋼材的設(shè)計(jì)要求，其中最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在3號(hào)支點(diǎn)(中支點(diǎn))底板處:108.5 MPa;最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在2號(hào)支點(diǎn)(次邊支點(diǎn))邊腹板處:30.76 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以廣州市云溪路轉(zhuǎn)科韻北路跨線橋的鋼箱梁為工程背景，應(yīng)用ANSYS程序建立空間有限元模型，對(duì)其在設(shè)計(jì)荷載作用下進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論:

1)基于ANSYS的實(shí)體單元Shell63及Solid45，建立空間有限元分析模型對(duì)曲線鋼箱梁進(jìn)行空間受力分析，可以較為真實(shí)地反映鋼箱梁的空間力學(xué)行為。

2)通過(guò)分析確定鋼箱梁空間有限元模型中的縱橫向最不利加載位置，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行加載求解，讓設(shè)計(jì)計(jì)算者清楚結(jié)構(gòu)的受力以及方便進(jìn)行模型的校核。

鑒于ANSYS沒有定制我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范及其影響下自動(dòng)加載，因此ANSYS程序更適合用于計(jì)算復(fù)核，校驗(yàn)橋梁專業(yè)計(jì)算軟件的結(jié)果。

3)計(jì)算結(jié)果表明，云溪路轉(zhuǎn)科韻北路跨線橋的鋼箱梁在恒活載作用下，各控制截面的應(yīng)力均滿足規(guī)范的要求，且具有比較的富余，說(shuō)明該橋在實(shí)際工程中具有比較好的工作性能，再次證明了鋼箱梁在城市立交中的優(yōu)勢(shì)。

4)關(guān)于曲線鋼箱梁的應(yīng)用，尚有很多問題值得進(jìn)一步探討，如溫度作用效應(yīng)分析，鋼—混凝土結(jié)合的接觸問題，負(fù)彎矩區(qū)混凝土結(jié)合層的開裂問題等。

[1]張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實(shí)例[M］.北京:人民交通出版社，2003.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.

[3]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S］.

[4]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.