郭曙光
(沈陽市市政工程設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110015)
目前,為解決城市內(nèi)交通擁堵狀況,城市內(nèi)高架橋越建越多。受城市內(nèi)建筑物限制,半圓形橋梁應(yīng)用較多。
本文以沈陽市朗月街-文匯街高架橋工程CA11#-CA14#聯(lián)鋼箱梁為工程背景,利用有限元程序?qū)υ撀?lián)鋼箱梁進行計算分析,以期為同類型橋梁設(shè)計提供參考依據(jù)。
擬建沈陽市渾南大道快速路工程西起勝利大街,東至文匯街,沿線走行現(xiàn)狀渾南大道,全長約11.811 km。工程沿渾南大道自西向東分別建設(shè)勝利大街立交橋、渾南大道跨南京街橋、渾南大道跨金陽大街橋、彩霞街-青年大街隧道、渾南大道跨青年大街橋、青年大街至富民街隧道,朗月街-文匯街高架橋(含長青街立交)。
A匝道橋為朗月街-文匯街高架橋與長青快速路高架橋連接匝道橋,A匝道橋?qū)挒?.25~10.0m,為單向2車道布置。CA11#-CA14#聯(lián)鋼箱梁位于長青快速路上方,曲線半徑為33m,本聯(lián)橋?qū)?0m。A匝道橋效果圖見圖1。
圖1 A匝道橋效果圖
(1)結(jié)構(gòu)計算使用M id a s空間建模計算,按空間板單元進行受力計算與分析。
(2)計算結(jié)果應(yīng)力值為承載能力基本組合值,撓度計算為標準組合值。
(3)抗疲勞設(shè)計中,先按疲勞荷載計算模型Ⅰ驗算,當不滿足時,按模型Ⅱ驗算;橋面系構(gòu)件采用疲勞荷載模型Ⅲ驗算。
采用M id a s/C i v i l 2018程序建立梁單元模型,進行空間計算分析。鋼箱梁空間計算模型見圖2。
(1)恒載:鋼結(jié)構(gòu)的容重按78.5 kN/m3計,其鋼梁本身的附屬構(gòu)件全部按實際荷載考慮;鋪裝層厚度按厚7.5 cm瀝青鋪裝考慮;防撞墻自重按每道每延米12 kN/m計算,共2道;隔音屏每延米3 kN/m,按5m高隔音屏單側(cè)布置。
圖2 鋼箱梁空間計算模型
(2)活載:汽車荷載為城市-A[1];混凝土收縮、徐變按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)[2]計算;基礎(chǔ)不均勻沉降為L/5 000;風(fēng)荷載根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)[2]計算。
(3)壓重混凝土:為確保各墩頂支座在正常使用情況下始終處于受壓狀態(tài),在鋼箱梁內(nèi)實施了壓重措施,壓重采用灌注C30無收縮混凝土。
施工流程劃分:架設(shè)臨時支墩→鋼梁制作段吊裝及連接→拆除臨時支墩→橋面系施工。
以單箱3室鋼箱梁橫斷面為例,取4道橫隔板長度進行第二體系計算。頂板第二體系最大拉應(yīng)力52MPa;最大壓應(yīng)力-58MPa。
縱向計算結(jié)果和橫梁計算結(jié)果見表1和表2。
表2 橫梁計算結(jié)果
由表1和表2可知:計算結(jié)果滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計》(JTG G64—2015)[2]要求。
鋼箱梁橋面板是由頂板和縱橫加勁肋組成的空間板殼結(jié)構(gòu)。考慮到產(chǎn)生頂板疲勞裂縫的應(yīng)力方向垂直于縱向加勁肋,應(yīng)力影響線的長度較短,故截取部分梁段進行空間模型計算。模型截取橫橋向2個箱室8m,縱橋向取3個橫向聯(lián)系間距,長度為6m。建立空間板單元模型。橋面板計算模型見圖3。
圖3 橋面板計算模型
出現(xiàn)疲勞損傷的主要構(gòu)造細節(jié)主要有:(1)橋面板與縱向加勁肋之間的連接焊縫;(2)橫梁與縱向加勁肋腹板之間的焊縫;(3)板肋下開口與橫隔板之間的焊縫;(4)頂板板件疲勞應(yīng)力;(5)縱向加勁肋之間的對接焊縫。由于本工程縱向加勁肋之間的連接采用高強螺栓連接,故只驗算前4項構(gòu)造細節(jié)。
3.2.1 疲勞正應(yīng)力σ計算
(1)板肋與頂板相交處焊縫
加載區(qū)域1-5的應(yīng)力幅[1]分別為:
板肋與頂板相交處的正應(yīng)力ΔσE2計算為:
式中:ΔσE2為按2.0×106次常幅疲勞循環(huán)換算得到的等效常值應(yīng)力幅,MPa;Δφ為放大系數(shù);ω為應(yīng)力幅;ks為尺寸效應(yīng)系數(shù);γmf為疲勞抗力分項系數(shù)。
由以上計算可知,板肋與頂板相交處的正應(yīng)力滿足設(shè)計要求。
(2)板肋與橫隔板相交處焊縫
加載區(qū)域1-5的應(yīng)力幅[1]分別為:
板肋與橫隔板相交處正應(yīng)力計算為:
由以上計算可知,板肋與橫隔板相交處正應(yīng)力滿足設(shè)計要求。
(3)板肋下方挖孔與橫隔板處焊縫
加載區(qū)域1-5的應(yīng)力幅[1]分別為:
板肋下方挖孔與橫隔板處正應(yīng)力計算為:
由以上計算可知,板肋下方挖孔與橫隔板處焊縫正應(yīng)力滿足設(shè)計要求。
(4)頂板板件疲勞應(yīng)力
加載區(qū)域1-5的應(yīng)力幅[1]分別為:
頂板板件疲勞應(yīng)力計算為:
由以上計算可知,頂板板件疲勞應(yīng)力滿足設(shè)計要求。
3.2.2 疲勞剪應(yīng)力計算
以上4處疲勞損傷構(gòu)造細節(jié),疲勞剪應(yīng)力Δστ2最大處發(fā)生在板肋下方開口與橫隔板之間的焊縫,其疲勞剪應(yīng)力Δστ2計算如下:
由式(5)可知,疲勞剪應(yīng)力滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTGG64—2015)[2]要求。
通過有限元計算分析,證明沈陽市朗月街-文匯街高架橋CA11#-CA14#聯(lián)小半徑鋼箱梁的單箱3室橫斷面總體強度和橋面板疲勞強度都滿足設(shè)計規(guī)范要求,所得結(jié)果可為同類型鋼箱梁的設(shè)計提供參考。