陳 宇，賀文彪，賈艷敏，李 晶，李軍衛(wèi)，胡金萍

(1.黑龍江東方學(xué)院，哈爾濱 150086;2.東北林業(yè)大學(xué) 土木學(xué)院，哈爾濱 150040)

鋼箱梁橋有很多優(yōu)越的特性使其廣泛的應(yīng)用在簡支梁橋、連續(xù)梁橋以及大跨度的結(jié)構(gòu)。對通航河流上的橋梁，其墩臺(tái)沿水流方向的軸線應(yīng)與最高通航水位時(shí)的主流方向一致[1]?？紤]到與周圍建筑物和環(huán)境的協(xié)調(diào)，減小水中墩阻水能力以及滿足通航要求等因素，使得斜橋在中小橋涵設(shè)計(jì)中的比重增大[2]，并且主要應(yīng)用于對線型要求較高的高速公路、林區(qū)道路及城市立體交通等。鋼箱梁在抵抗彎矩和扭矩方面非常有效，所以這種結(jié)構(gòu)形式很適合于斜梁橋。

斜橋區(qū)別于正橋，主要是指其橋梁軸線的法線與支承邊(或支座連線)不平行，其夾角(銳角)為斜度，用于表征斜橋斜的程度。連續(xù)斜梁橋的支座布置有：全橋各個(gè)橋墩(臺(tái))上均布置抗扭雙支座；一個(gè)聯(lián)中的兩端橋墩(臺(tái))上設(shè)置抗扭支座，中墩均為單點(diǎn)鉸支座；一部分中墩為單點(diǎn)鉸支座，其余均為抗扭雙支座[3]。有時(shí)為了與橋跨兩側(cè)的正橋相連，連續(xù)斜梁橋的支座布置如圖1所示。

圖1 支座布置

在斜橋方面，各國關(guān)于箱梁截面的研究較少[2-4]，并且荷載類型、結(jié)構(gòu)形式和施工工藝等方面與國外有關(guān)研究有較大的差別。故本文在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，對不同斜率的薄殼連續(xù)鋼箱梁的受力進(jìn)行對比分析。

1 鋼箱梁試驗(yàn)與有限元模擬

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

箱梁橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀珊穸葹? mm的Q235鋼板焊成的單室箱梁。三跨連續(xù)梁總長4 m，計(jì)算跨徑1+2+1 m，梁高0.12 m，橋面寬0.272 m，加勁肋與橫隔板間距0.25 m，如圖2所示。

在箱梁頂面、底面和腹板布置了17個(gè)測點(diǎn)。在主跨跨中和1/4、1/8、3/8截面處，邊跨跨中均布置了測點(diǎn)，各測點(diǎn)布置如圖3所示。試驗(yàn)采用油壓千斤頂對試件主跨跨中分級加載，利用YJ 225靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測定應(yīng)變值。將百分表對稱地布置在計(jì)算截面，觀測箱梁加載時(shí)的撓度變化。

圖2 試驗(yàn)梁縱斷面

試驗(yàn)建立了0°、15°、30°、45°四種不同斜交角的支座支撐條件，這與橋墩橋臺(tái)橫向軸線與橋梁縱向斜交的情況十分相似。

圖3 測點(diǎn)布置

1.2 有限元模擬

利用ABAQUS的殼單元模擬鋼箱梁截面。特殊用途殼單元分為兩類：薄殼單元和厚殼單元。當(dāng)厚度和跨度之比小于1/15時(shí)，可忽略殼體得橫向剪切變形，認(rèn)為是薄殼問題，即：垂直于殼中而的平而在變形中保持垂直于殼中面[6]。模型的鋼板厚度僅為4 mm，且梁體以受彎為主，鋼板在變形中橫向剪切變形的影響極小，故屬于薄殼問題。本文采用殼單元S4R5模擬鋼板，實(shí)體單元C3D8模擬支座的墊條。

為避免對塑性材料直接施加點(diǎn)荷載或集中力，施加荷載時(shí)，集中力施加在與頂板建立耦合約束的參考點(diǎn)上[7]。

計(jì)算時(shí)計(jì)入幾何非線性和材料非線性，幾何非線性問題的模擬只需在前處理分析步中設(shè)定幾何非線性的分析項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)，材料非線性問題的模擬利用低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)值為被測對象的名義應(yīng)力和名義應(yīng)變[8-10]。

2 計(jì)算結(jié)果

以測點(diǎn)16為例，斜率為0°、15°、30°、45°四種情況下，在主跨橋面中心的集中力作用下的撓度和底板應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見表1。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果來看，ABAQUS的薄殼單元和通過改變支撐方向的支座實(shí)體單元可以很好的模擬鋼箱梁斜橋的靜力力學(xué)行為，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖4 ABAQUS有限元模型

表1 斜率為0°情況

表2 斜率為15°情況

表3 斜率為30°情況

表4 斜率為45°情況

3 受力對比分析

正橋分別在中心荷載和偏心荷載為25 kN作用下，跨中附近的箱梁底板和頂板應(yīng)力較小，主跨最大撓度為2.9 mm，連續(xù)鋼箱梁處于彈性工作狀態(tài)。

正橋在中心荷載作用下，當(dāng)荷載加至50 kN時(shí)，跨中附近箱梁底板部分區(qū)域已經(jīng)達(dá)到屈服強(qiáng)度，如圖5所示，主跨最大撓度為12 mm；在偏心

荷載作用下，當(dāng)荷載加至40kN時(shí)，跨中箱梁底板和頂板部分區(qū)域都達(dá)到了屈服強(qiáng)度，如圖6所示，主跨最大撓度為15 mm。美國鋼結(jié)構(gòu)建筑與橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中撓度準(zhǔn)則規(guī)定的鋼梁撓度限值為計(jì)算跨徑的1/800[11-12]。故在中心荷載為50 kN以及偏心荷載為40 kN的作用下，鋼材已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的塑性性質(zhì)，構(gòu)件撓曲變形明顯，連續(xù)鋼箱梁達(dá)到了承載能力極限狀態(tài)并超過了正常使用極限狀態(tài)。

圖5 中心荷載作用下的ABAQUS應(yīng)力云圖

圖6 偏心荷載作用下的ABAQUS應(yīng)力云圖

在相同的工況下，斜橋彈性工作階段和塑性工作階段時(shí)的底板應(yīng)力、腹板應(yīng)力及主跨最大撓度如圖7所示。

在彈性工作狀態(tài)下與正橋相比：由圖7(a)、(d)可以看出，靠近斜支撐區(qū)域的底板應(yīng)力在斜率為30度時(shí)最大，偏差為86%，其他斜率下都有不同程度的增大；靠近跨中區(qū)域的底板應(yīng)力隨斜率的增大而減小，最大偏差為15.6%；由圖7(b)、(e)可以看出，跨中腹板應(yīng)力隨斜率增大而減小，最大偏差為15.5%；由圖7(c)、(f)可以看出，斜率超過15度后跨中撓度隨斜率的增大而減小，最大偏差為17.2%。此外，斜率為15度時(shí)與正橋的計(jì)算結(jié)果十分接近，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果略有增大，偏差均在8%以內(nèi)；撓度也十分接近，偏差在10%以內(nèi)。

在塑性工作狀態(tài)下與正橋相比：

由圖7(g)、(j)可以看出，靠近斜支撐區(qū)域的底板應(yīng)力在中心荷載作用時(shí)隨斜率的增大而減小，最大偏差為31.8%，在偏心荷載作用時(shí)斜率為30度時(shí)最大，偏差為94%，其他斜率下都有不同程度的增大；靠近跨中區(qū)域的底板應(yīng)力隨斜率的增大而減小，最大偏差為10.6%；由圖7(h)、(k)可以看出，跨中腹板應(yīng)力在中心荷載作用時(shí)斜率為15度時(shí)最大，偏差為14.8%，在斜率為30度時(shí)最小，偏差為47.4%；跨中腹板應(yīng)力在偏心荷載作用時(shí)斜率為45度時(shí)最大，偏差為9.8%。由圖7(i)、(l)可以看出，撓度在斜率為45度時(shí)最小，最大偏差為38.5%，在斜率為15度時(shí)最大，最大偏差為12.5%。

4 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并結(jié)合有限元模擬，比較了三跨連續(xù)鋼箱梁在不同斜橋斜率下的受力，得到以下結(jié)論。

圖7 不同斜率下的受力對比

(1)ABAQUS的薄殼單元和通過改變支撐方向的支座實(shí)體單元可以很好的模擬鋼箱梁斜橋的靜力力學(xué)行為，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

(2)在彈性工作狀態(tài)下，斜橋斜率對鋼箱梁底板應(yīng)力影響很大，最大偏差達(dá)86%；對腹板應(yīng)力影響相對較小，最大偏差為15.5%；斜橋斜率對撓度影響較大，最大偏差達(dá)17.2%。

(3)斜率為15度時(shí)，在彈性工作狀態(tài)下與正橋的計(jì)算結(jié)果十分接近，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果略有增大，偏差均在8%以內(nèi)；撓度也十分接近，偏差均在10%以內(nèi)。但是在塑性工作狀態(tài)下的應(yīng)力和撓度與正橋有較大的偏離。

(4)在塑性工作狀態(tài)下，斜橋斜率對鋼箱梁底板應(yīng)力影響很大，最大偏差達(dá)94%，對腹板應(yīng)力影響較大，最大偏差為47.4%，對撓度的影響較大，最大偏差為38.5%。

(5)斜率對彈性階段鋼箱梁應(yīng)力分布的影響不顯著但對撓度影響較為明顯；斜率對塑性階段鋼箱梁應(yīng)力分布和撓度影響均較為明顯。

綜合考慮了斜橋斜率、彈塑性工作階段、偏心荷載等，本文試驗(yàn)中連續(xù)斜梁橋受力極為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在應(yīng)力大小、分布以及撓度變形與斜率之間的非線性關(guān)系。以上結(jié)論將有助于斜橋設(shè)計(jì)與計(jì)算的進(jìn)一步研究。

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