王子豪

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司）

0 引言

隨著我國鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與防腐技術(shù)快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程不斷加快，連續(xù)鋼箱梁橋因其輕質(zhì)高強、跨越能力大、美觀、施工周期短、便于橋下交通組織等特點而在城市互通立交、城市高架橋中被大量使用[1]。

受限于橋下復(fù)雜的道路交通狀況，用作匝道橋的連續(xù)鋼箱梁橋跨徑組合種類往往較多，且相較于混凝土梁，鋼箱梁剪力滯效應(yīng)[2]及橋面板二、三體系效應(yīng)更為突出，其強度性能值得進(jìn)一步探究。而由于鋼箱梁自重較輕，在實際工程建設(shè)中又常為彎橋，且多有小半徑線型，其在運營過程中易出現(xiàn)支座脫空的問題。同時，支座脫空引起橋梁傾覆的事件在過去亦發(fā)生過多起[3]，因而，對于鋼箱梁支反力變化規(guī)律的分析及脫空問題優(yōu)化改進(jìn)措施的探討是十分必要的。

1 工程概況

本項目為汕頭市海濱路西沿線西堤互通立交，共A-F 六座匝道橋，全橋皆為連續(xù)鋼箱梁橋，采用Q345qD鋼板，主要板厚范圍為12～20mm。橋梁梁高為1.8m，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為9.5m，頂板縱向加勁肋形式為U 肋及板肋，腹板及底板加勁肋為板肋，懸臂翼緣長度為1.75m，主梁截面如圖1 所示。本互通分聯(lián)形式以兩跨一聯(lián)及三跨一聯(lián)為主，跨徑范圍為25～40m，路線最小線型曲率半徑為50m，活載采用公路-Ⅰ級單向雙車道荷載。

圖1 鋼箱梁截面示意圖

2 計算模型

以空間梁單元模型來計算分析連續(xù)鋼箱梁整體靜力特性，同時借由建立空間板單元模型來考慮車輛荷載作用下鋼橋面板二、三體效應(yīng)。

2.1 空間梁單元模型

根據(jù)西堤互通匝道橋各聯(lián)連續(xù)鋼箱梁跨徑組合情況及本文分析需要，采用Midas 有限元分析軟件建立了多種跨徑組合的空間梁單元模型，其中，三跨一聯(lián)模型劃分為68 個節(jié)點，51 個單元；兩跨一聯(lián)模型劃分為47個節(jié)點，34 個單元。在計算分析時，將防撞欄桿，橋面鋪裝等二期恒載化為梁單元荷載作用在主梁之上，橫隔板以節(jié)點荷載的形式作用在橫隔板位置，不考慮其對剛度的貢獻(xiàn)。以三跨一聯(lián)為例，橋梁空間梁單元模型如圖2所示。

圖2 全橋空間梁單元有限元模型

2.2 空間板單元模型

本模型主要用于計算橋面板第二體系和第三體系的受力狀況，因而采用大型通用有限元軟件ANSYS 選取橋梁跨中位置處12m 節(jié)段進(jìn)行局部精細(xì)化分析。鋼梁采用SHELL181 板殼單元進(jìn)行模擬，此單元具有4 個節(jié)點，每個單元有6 自由度，適于板殼體分析?？臻g板單元模型如圖3 所示。荷載為車輪荷載，以板單元壓力荷載的形式加載，車輪荷載按單個車輪70kN 計。

圖3 空間板單元有限元模型

3 鋼箱梁主梁應(yīng)力分析

3.1 板厚設(shè)置原則

本文鋼箱梁整體計算模型采用板厚原則如表1 所示。

表1 鋼梁主要板厚原則

3.2 橋面板局部效應(yīng)計算

3.3 強度限值

依據(jù)對局部模型進(jìn)行車輪加載計算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪對縱橋向于節(jié)段中心加載而橫橋向偏單側(cè)加載時橋面板局部等效正應(yīng)力最大。橋面板縱橫向加載位置分別見圖4 及圖5，此工況下，提取加載位附近縱向4m 長度橋面板等效正應(yīng)力，如圖6 所示。

可見，在車輛荷載作用下橋面板二、三體系產(chǎn)生最大的局部正應(yīng)力為54.9MPa，而考慮計算組合分項系數(shù)后，其組合值將超過70MPa。

依照規(guī)范[4]計算所得鋼梁剪力滯后折減系數(shù)則如表2 所示。

表2 剪力滯效應(yīng)折減系數(shù)

圖4 車輪荷載縱向加載示意

圖5 車輪荷載橫向加載示意

圖6 橋面板等效應(yīng)力云圖/Pa

根據(jù)規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范 JTG D64-2015》[4]，鋼板抗拉壓設(shè)計強度為270MPa，抗剪強度為150Mpa。綜合考慮二、三體系效應(yīng)及剪力滯后效應(yīng)后，鋼箱梁頂?shù)装蹇估瓑簭姸认拗等绫? 所示，腹板抗剪強度限值則取為150MPa。

表3 鋼箱梁頂?shù)装謇瓑簭姸认拗?/p>

3.4 整體模型應(yīng)力計算

對3×25m、3×30m、3×35m、3×40m、2×35m、2×40m 六種跨徑組合直線線型橋梁工況建立空間梁單元模型，并進(jìn)行靜力計算，計算結(jié)果如表4 所示。其中，頂?shù)装褰Y(jié)果為正應(yīng)力，正負(fù)符號分別表示拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，而腹板結(jié)果則為剪應(yīng)力。

由計算結(jié)果可知，成橋狀態(tài)下頂?shù)装遄畲笳龖?yīng)力發(fā)生在墩頂；活載作用下頂?shù)装遄畲笳龖?yīng)力則發(fā)生于跨中；單跨同跨徑時，兩跨連續(xù)梁成橋應(yīng)力大于三跨連續(xù)梁而活載應(yīng)力則區(qū)別不大；另外，本計算中所有工況基本組合應(yīng)力皆能低于限值，說明本文板厚原則的制定符合設(shè)計受力要求。

表4 鋼梁拉壓強度限值

4 鋼箱梁主梁支反力分析

由于鋼梁自重相對較輕，因而在外部荷載作用下，可能出現(xiàn)支座反力過小甚至脫空的現(xiàn)象，本節(jié)將對影響最小支反力的因素和脫空問題的改進(jìn)措施進(jìn)行分析及探討。

4.1 跨徑組合對支反力的影響

為分析不同跨徑組合下路線直線線型鋼箱梁最小支點反力水平及變化規(guī)律，計算了多種工況下邊、中支點最小支反力結(jié)果，詳見表5。

圖7 不同邊跨跨徑下邊支點最小支反力圖

表5 最小支座反力

可見，中支點最小支反力數(shù)值水平較高，而邊支點支反力相對較小且出現(xiàn)負(fù)值，即發(fā)生脫空現(xiàn)象。下面將進(jìn)一步分析中跨跨徑為40m，邊跨跨徑增大，及邊跨跨徑為25m，中跨跨徑增大兩種情況對邊支點最小支反力的影響規(guī)律，詳見圖7 與圖8。

圖8 不同中跨跨徑下邊支點最小支反力圖

由圖可知，中跨跨徑不變時，邊跨跨徑增大邊支點最小支反力將增大；邊跨跨徑不變時，中跨跨徑增大將使邊支點最小支反力減小。

4.2 線形半徑對支反力的影響

為探討分析鋼箱梁路線線形半徑對最小支反力的影響規(guī)律，對（25+40+25）m 跨徑組合建立了多種線型半徑下的模型工況，計算結(jié)果如表6 所示，而邊、中支點隨半徑的變化規(guī)律則見圖9、圖10。

表6 最小支座反力

圖9 不同線型半徑下邊支點最小支反力圖

圖10 不同線型半徑下中支點最小支反力圖

可見，鋼箱梁邊、中支點最小支反力皆隨線型半徑增大而增大，且增長幅度逐漸放緩；而在所有工況中，鋼箱梁線形外側(cè)邊支點最小反力皆小于內(nèi)側(cè)，但外側(cè)中支點最小反力皆大于內(nèi)側(cè)。

4.3 支反力改進(jìn)措施

以（25+40+25）m 跨徑組合、路線線型半徑為100m的連續(xù)鋼箱梁模型為例，針對鋼箱梁邊支點脫空的問題，考慮對鋼箱梁邊支點附近區(qū)域灌注混凝土進(jìn)行壓重以抵消支點負(fù)反力。對邊支點附近0.5m、1m、1.5m、2.0m范圍內(nèi)鋼箱梁灌注混凝土以進(jìn)行壓重，邊支點最小支座反力計算結(jié)果如表7 所示。

表7 最小支座反力

圖11 不同線型半徑下中支點最小支反力圖

根據(jù)計算結(jié)果，隨著邊支點附近壓重范圍增大，邊支點最小支反力逐漸增大并由負(fù)反力變?yōu)檎戳?，可見，對支點附近鋼箱梁進(jìn)行適量壓重能有效改善支座脫空問題。

5 結(jié)論

⑴建立鋼箱梁節(jié)段空間板單元模型并采用局部輪載計算了橋面板二、三體系應(yīng)力，以規(guī)范限值為基礎(chǔ)，在考慮鋼箱梁二、三體系效應(yīng)及剪力滯效應(yīng)的情況下制定了鋼箱梁強度限值。

⑵建立了連續(xù)鋼箱梁多種跨徑組合的空間梁單元模型，并進(jìn)行靜力計算，發(fā)現(xiàn)橋梁成橋狀態(tài)下墩頂頂?shù)装逭龖?yīng)力最大；活載作用下跨中頂?shù)装逭龖?yīng)力最大；同單跨跨徑下，兩跨連續(xù)梁成橋應(yīng)力大于三跨連續(xù)梁而活載應(yīng)力則區(qū)別不大；基本組合作用下，本計算中所有工況應(yīng)力皆能滿足限值要求，說明本文板厚原則設(shè)計合理。

⑶探討了不同跨徑組合下路線直線線型鋼箱梁最小支點反力水平及變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)中支點最小支反力數(shù)值水平較高，而邊支點支反力相對較小且出現(xiàn)負(fù)值，即發(fā)生脫空現(xiàn)象；進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)中跨跨徑不變時，邊跨跨徑增大邊支點最小支反力將增大；邊跨跨徑不變時，中跨跨徑增大將使邊支點最小支反力減小。

⑷探究了鋼箱梁路線線形半徑對最小支反力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)線型半徑增大將會使鋼箱梁邊、中支點最小支反力增大，且增長幅度逐漸放緩；鋼箱梁線形外側(cè)邊支點最小反力皆小于內(nèi)側(cè)，但外側(cè)中支點最小反力皆大于內(nèi)側(cè)。

⑸嘗試采用對邊支點附近區(qū)域鋼箱梁灌注混凝土的方式進(jìn)行壓重以改善邊支點脫空問題，計算發(fā)現(xiàn)，隨著壓重范圍增大，邊支點支反力由負(fù)轉(zhuǎn)正，說明壓重措施是有效的。