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        獨塔斜拉橋鋼箱梁計算與分析

        2019-07-20 03:14:34何科
        城市道橋與防洪 2019年7期
        關(guān)鍵詞:鋼箱梁隔板異性

        何科

        (上海市政工程設(shè)計研究總院集團浙江市政設(shè)計院有限公司,浙江 杭州 310000)

        0 引言

        在橋梁建筑中,我國采用鋼箱梁的起步較晚,但發(fā)展勢頭非常迅猛,在連續(xù)梁、拱橋、斜拉橋和懸索橋中鋼箱梁都得到了廣泛應(yīng)用。隨著高強度鋼材的進一步研發(fā)和應(yīng)用,又促進了鋼結(jié)構(gòu)橋梁往更大跨度發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強度高、施工安裝方便,且相對于混凝土結(jié)構(gòu),有利于環(huán)境保護、可回收利用等優(yōu)勢;但同時其剛度小、易失穩(wěn)、正交異性板易開裂。

        正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)使用相對較少的鋼材,使其整體和局部的強度與剛度均較大,與傳統(tǒng)橋面相比,重量減輕約20%~40%[1]。但在國內(nèi)已經(jīng)有了正交異性板開裂的案例,一旦疲勞開裂,多數(shù)裂紋會沿面板厚度方向擴展,并穿透鋪裝層,影響行車安全[2]。余掙[3]用A nsys有限元軟件對正交異性板進行了受力分析,提出了合理的計算模型的取法。張上等[4]用M id a s板單元模型對正交異性板進行了數(shù)值分析,以驗證設(shè)計的可靠性。對腹板的局部穩(wěn)定,孔慶凱等[5]根據(jù)規(guī)范對腹板強度和區(qū)格局部穩(wěn)定性進行了公式驗算,并用A nsys建立有限元模型進行校核。

        在前幾年,國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計主要參考《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(T B 10091一 2017)[6]或英國[7]和日本規(guī)范[8]。本文在參考上述規(guī)范的基礎(chǔ)上,根據(jù)最新的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)[9],對鋼箱梁進行受力及穩(wěn)定驗算。蘇慶田等[10]經(jīng)過模型驗算對比,指出鋼箱梁采用桿系有限元模型的穩(wěn)定結(jié)果偏于不安全,必須考慮其局部穩(wěn)定的影響。所以本文通過建立全橋的M id a s有限元模型,來分析其整體的受力性能,并以此為基礎(chǔ)驗算鋼箱梁頂?shù)装宓氖軌喊宸€(wěn)定、腹板的局部穩(wěn)定等;最后利用A nsys有限元模型來分析鋼橋面正交異性板的局部受力性能。

        該橋為(80+80)m獨塔單索面斜拉橋,結(jié)構(gòu)采用梁塔固結(jié)體系,橋臺處梁底設(shè)支座,單幅橋?qū)?9.75m。主梁和主塔均采用鋼結(jié)構(gòu)。主梁為單箱5室鋼結(jié)構(gòu)箱梁,梁高2.5m。采用正交異性鋼橋面板,主梁頂?shù)装宀捎肬形閉口加勁肋加強。3.3m設(shè)一道橫隔板。斜拉索采用高強鋼絲,標準強度1 670MPa。斜拉索縱向設(shè)7對,梁上拉索間距9.9m。

        獨塔單索面斜拉橋標準斷面圖見圖1。

        圖1 獨塔單索面斜拉橋標準橫斷面(單位:mm)

        鋼箱梁標準段頂板厚14mm,底板厚12mm,橋梁結(jié)構(gòu)中心2.2m范圍內(nèi)頂?shù)装搴?0mm,塔梁結(jié)合段對頂?shù)装搴襁M行了全寬加厚。內(nèi)腹板厚25mm,中腹板和邊腹板厚12 mm。標準內(nèi)橫隔板厚16mm,中橫隔板和邊橫隔板厚12mm。支座處和塔梁結(jié)合段橫隔板厚20mm。橋面鋪裝采用80mm的澆筑式瀝青混凝土。

        1 整體模型

        首先建立全橋M id a s有限元模型,計算第一體系受力,斜拉索以桁架單元模擬;主梁、塔柱以梁單元模擬。成橋階段結(jié)構(gòu)空間模型示意圖見圖2。

        圖2 全橋有限元模型

        承載能力極限狀態(tài)下鋼箱梁應(yīng)力設(shè)計值為:

        上緣:最大壓應(yīng)力σc=121MPa(跨中),最大拉應(yīng)力σt=91MPa(梁柱節(jié)點)。

        下緣:最大壓應(yīng)力σc=148MPa(梁柱節(jié)點),最大拉應(yīng)力 σt=120 MPa(跨中)。

        整體計算中的主梁位移、疲勞驗算、斜拉索與主塔受力、整體穩(wěn)定等均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[9]要求,本文不作敘述。

        2 正交異性板

        鋼箱梁頂板采用全焊接正交異性鋼橋面板,頂板的U形加勁縱向通長穿過橫肋和橫隔板并與之焊接。本橋橫隔板間距D1=3.3 m,橫肋間距D2=3.3/2=1.65m。

        采用空間有限元程序A nsys建立橋面系板殼模型(見圖3),驗算輪載作用下橋面系的應(yīng)力、剛度。

        圖3 橋面板計算模型示意圖

        圖4是車輪荷載作用(考慮0.4的沖擊系數(shù))下的橋面板豎向位移圖。

        計算結(jié)果表明,在車輪荷載作用下,肋間相對最大豎向撓度為0.36mm,肋間間距為300mm,因此車輪作用下的撓跨比為1/833<1/700,能滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[9]要求。

        圖4 橋面板豎向位移圖(單位:mm)

        在恒載(包括二期)和車輪作用下,橋面板縱橋向應(yīng)力如圖5所示。

        圖5 橋面板縱橋向應(yīng)力圖(單位:MPa)

        計算結(jié)果表明,在恒載和活載基本組合下的橋面板縱橋向最大壓應(yīng)力為80.5 MPa,最大拉應(yīng)力為45.5MPa。

        然后對第一體系和第二體系應(yīng)力進行疊加組合。

        在第一體系中,橋面板作為箱梁頂板,最大壓應(yīng)力是121MPa,最大拉應(yīng)力是91MPa;在第二體系中,橋面板最大壓應(yīng)力是80.5 MPa,最大拉應(yīng)力是45.5 MPa,對應(yīng)合成壓應(yīng)力為 201.5 MPa,拉應(yīng)力為136.5MPa,均小于強度設(shè)計值fd=270MPa。

        在第一體系中,底板在梁柱節(jié)點位置下緣最大壓應(yīng)力是148MPa,跨中位置最大拉應(yīng)力是120MPa,均小于強度設(shè)計值fd=270MPa。

        3 局部構(gòu)件

        鋼箱梁的局部穩(wěn)定問題主要體現(xiàn)在受壓的頂?shù)装搴透拱?,故在頂?shù)装搴透拱逯芯O(shè)置了剛性加勁肋,這樣可以假設(shè)當板件失穩(wěn)時,剛性加勁肋位置作為約束點,不發(fā)生變形。

        3.1 受壓的頂?shù)装寮觿爬邉傂则炈?/h3>

        縱向加勁肋相對剛度γt:

        縱向加勁肋截面面積Al:

        橫向加勁肋相對剛度rl:

        式中:E為彈性模量;Il為縱向加勁肋的抗彎慣矩;D為板剛度;nl為縱向加勁肋根數(shù);As,l為單根縱向加勁肋的面積;?為加勁板長寬比;△l為單根縱向加勁肋的面積與母板面積之比;t為頂?shù)装搴穸?;a,b分別為頂?shù)装宓挠嬎汩L度和寬度。

        以鋼箱梁頂板為例:頂板厚14mm,腹板最大間距7.375m,腹板間頂板加勁共12根U肋,橫隔板間距3.3m(橫隔板全高設(shè)置,為剛性加勁);頂板剛度D=0.052,?=0.447≤?0=6.288,故r*l=34.31<rl=62.504,滿足縱向加勁肋剛性加勁要求。

        對于斜拉橋,鋼箱梁頂?shù)装寰鶗a(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,故鋼箱梁底板也需驗算,計算方法相同,本文不再贅述。

        3.2 鋼箱梁腹板加勁肋剛性驗算

        對中腹板,板厚為12mm,豎向加勁為10mm×150mm×2 500mm,縱向加勁為10mm×150mm,腹板豎向加勁肋慣性矩應(yīng)滿足:

        式中:hw和tw分別為腹板的高度和厚度。

        計算結(jié)果顯示:豎向加勁肋滿足剛性加勁要求。

        腹板縱向加勁肋慣性矩應(yīng)滿足:

        計算結(jié)果顯示:縱向加勁肋滿足剛性加勁要求。

        3.3 鋼箱梁腹板局部穩(wěn)定驗算

        根據(jù)M id a s整體計算結(jié)果,取壓應(yīng)力最大時驗算腹板局部穩(wěn)定。下緣壓應(yīng)力174MPa,上緣拉應(yīng)力111MPa,一片腹板分配到的剪應(yīng)力為43.2MPa,腹板下緣縱向加勁肋距底板高0.7m,即h=0.7m,縱向加勁肋處腹板正應(yīng)力為117 MPa,為壓應(yīng)力,腹板厚t=12mm,高寬比,則:

        滿足焊接梁1.35的要求(此時臨界換算應(yīng)力σvk=205MPa<255MPa)。

        式中:σk1和τk1分別表示臨界法向應(yīng)力和臨界剪應(yīng)力;σ1和τ分別表示荷載產(chǎn)生的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力;φ表示上下緣應(yīng)力的比例系數(shù)。

        4 結(jié)語

        本文以1座(80+80)m獨塔單索面全鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋為背景,著重介紹了如何在整體模型計算的基礎(chǔ)上,驗算鋼橋面板第二體系和鋼箱梁頂?shù)装?、腹板的局部穩(wěn)定。在計算中需重視鋼結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定的驗算,這是由于鋼結(jié)構(gòu)能承受較高的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,故整體計算結(jié)果較為容易滿足規(guī)范要求,但同時由于剛度小,其自身容易發(fā)生局部失穩(wěn),從而造成重大安全事故。

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