獨(dú)塔斜拉橋的幾何非對(duì)稱特性導(dǎo)致其應(yīng)力和變形不同于一般同類橋,大寬跨比正交異性鋼箱梁的薄壁結(jié)構(gòu)使得其受力及變形更為復(fù)雜,用常規(guī)方法難以精確給出變形和應(yīng)力值。賈魯河大橋即是這樣一個(gè)例子,而且復(fù)雜性進(jìn)一步增加。120 m 的主跨分成三部分:從主塔開始的 100 m 是正交異性鋼箱梁,緊接的 8 m 過渡段與 12 m的混凝土梁段銜接,后者系從對(duì)岸墩臺(tái)伸出的懸臂段。由于鋼箱梁寬度達(dá) 55 m,且沒有直接支撐在對(duì)岸橋墩上,而是通過一個(gè) 8 m 長、55 m 寬的過渡梁段間接與混凝土伸臂梁連接,屬于小范圍內(nèi)剛度不同的三種材料的連接,由此形成的兩道連接縫,不但消弱了結(jié)構(gòu)的整體性,而且使對(duì)準(zhǔn)和控制環(huán)節(jié)多,進(jìn)一步增加了施工控制的難度。另外,要考慮溫度的影響:一方面,鋼材和混凝土的比熱容及表面特性不同,同樣的日照條件下升溫速度和幅度不同,另一方面,橋軸方向是正南正北,每天不同時(shí)刻日照影響的程度有局部特點(diǎn),在施工控制和應(yīng)力變形計(jì)算中需要時(shí)刻將此因素計(jì)入。在施工后期,溫度因素也體現(xiàn)在斜拉索內(nèi)力的復(fù)核上,超寬橋面周而復(fù)始的非對(duì)稱溫度變形也導(dǎo)致索力的不斷變化。 

以賈魯河大橋?yàn)槔?利用有限元軟件ABAQUS建立鋼箱梁段的空間精細(xì)混合分析模型,對(duì)典型荷載作用下橋梁的局部應(yīng)力與變形進(jìn)行分析。為了隨時(shí)掌握不同工況下正交異性鋼箱梁的變形和應(yīng)力,在鋼箱梁頂板布置了 118 個(gè)應(yīng)力傳感器,其中 48 個(gè)是復(fù)核性的,70 個(gè)是研究性的,分別用于校正施工作業(yè)中的千斤頂行程(和油壓)和提供不同施工階段所有影響因素作用下關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力綜合數(shù)值;另外還布置了 62 個(gè)研究性溫度傳感器用于提供實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。

研究表明:鋼箱梁橫向變形基本一致,最大橫向變形相對(duì)差值為-2.8 mm,施工時(shí)可不設(shè)橫向預(yù)拱度;自重作用引起的鋼箱梁最大Mises應(yīng)力為93.7 MPa,二恒和活載作用下的最大Mises應(yīng)力約為自重引起的1/4,表明鋼箱梁應(yīng)力具有較大的安全富余度;當(dāng)U肋高度在 260 ~ 320 mm 范圍變化時(shí),橋面系位移變化幅度不超過5%,橋面板最大應(yīng)力變化幅度不超過8%,此范圍內(nèi)U肋高度變化對(duì)橋面系位移和應(yīng)力的影響均較小,內(nèi)在原因是U肋的高低變化與橫梁能提供的剛度是互補(bǔ)的,正好說明該正交異性鋼箱梁具有顯著的板的特征,設(shè)計(jì)上宜采用此范圍內(nèi)的U肋高度。

前言

正交異性鋼橋面板,是用縱橫向互相垂直的加勁肋(縱肋和橫肋) 連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu),以這種正交異性板作為橋面系建成的橋梁稱之為正交異性板橋梁。以其自重輕、極限承載能力大、工廠化程度高、施工周期短、結(jié)構(gòu)造型美觀等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于公路橋梁和鐵路橋梁,它的應(yīng)用代表著一個(gè)國家鋼橋設(shè)計(jì)和制造水平的水平。 

人文路賈魯河橋是典型的大寬跨比獨(dú)塔無背索斜拉橋,雙索面,橋梁全寬 55 m (圖1) ,寬跨比為0.55,寬度為同類型橋梁國內(nèi)之最。由于主梁寬跨比大,且梁高相對(duì)較小,一些梁的行為特征弱化,整體行為更像各向異性板。還有三個(gè)因素:1) 本橋?yàn)楠?dú)塔無背索斜拉橋,從橋塔到橋面不同位置有九組斜拉索(圖1) ,使得軸向壓力沿著長度不斷變化;2)主跨 120 m,分為(100+20) m,即 100 m 正交異性鋼板梁+20 m 鋼筋混凝土梁,且包含一小段過渡段;3)采用塔梁墩固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。斜向獨(dú)塔設(shè)計(jì)決定了相對(duì)于跨度塔的豎向投影高度有限,斜拉索以較小的角度與橋面板連接,使剪力滯效應(yīng)更加突出。因此,采用正交異性鋼箱梁雖然滿足梁寬和大寬跨比的要求,但其復(fù)雜的薄壁箱梁結(jié)構(gòu)使得受力及變形更為復(fù)雜。由于影響因素多且交錯(cuò)作用,用常規(guī)方法很難精確給出變形和應(yīng)力預(yù)警值。這樣就需要根據(jù)施工條件、鋼材和混凝土品質(zhì)及澆筑工藝、預(yù)應(yīng)力索的張拉精度等給出變形和應(yīng)力臨界值。因此,本文利用有限元軟件建立鋼箱梁段的空間精細(xì)混合分析模型,對(duì)典型荷載作用下賈魯河橋的局部應(yīng)力與變形進(jìn)行分析,以確保橋梁施工過程的穩(wěn)定與安全、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最終成橋狀態(tài),并為今后類似工程提供參考。同時(shí),對(duì)U肋高度變化情況下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖 1 人文路賈魯河大橋橋型布置示意

1.工程概況

人文路賈魯河橋主橋采用雙索面獨(dú)塔結(jié)構(gòu),橋梁全寬 55 m,為塔梁墩固結(jié)體系。主塔為預(yù)應(yīng)力混凝土空心斜塔,上塔柱高 70 m,每節(jié)段長 6 m,塔身傾角60°。主梁為鋼混縱向組合結(jié)構(gòu), 主橋長度190 m,縱向布置為 30+120+40 m,主跨 120 m,其中主跨跨中 100 m 為鋼箱梁,鋼梁與混凝土梁結(jié)合處設(shè)鋼混結(jié)合過渡段,鋼梁為主縱梁、小縱梁、中橫梁、小橫梁、正交異性鋼橋面板及大懸挑組成的鋼架。橋梁總體布置如圖 1 所示。

2.有限元模型

2.1計(jì)算模型

本文采用分析軟件ABAQUS的混合有限元模型對(duì)賈魯河橋進(jìn)行分析,跨中區(qū)域的鋼箱梁采用板殼單元模擬,其他區(qū)域采用梁單元模擬。根據(jù)圣維南原理,鋼箱梁采用板殼建模的長度為 55 m,混合有限元模型如圖 2 所示,網(wǎng)格劃分完成后,混合模型共計(jì)生成殼單元 101549 個(gè),梁單元 68 個(gè)。

圖 2 精細(xì)分析有限元模型

2.2計(jì)算荷載及邊界條件

計(jì)算荷載包括梁體自重、二期鋪裝和公路-I級(jí)汽車荷載。如圖 3 所示,混合有限元模型中梁單元所承受荷載以線荷載形式施加到梁單元上。全橋按八車道布載,車道折減系數(shù)為 0.5。殼單元上車道荷載按面荷載施加。

圖 3 鋼箱梁車道荷載布置示意

斜拉索索力采用集中荷載模擬,拉索索力分解為順橋向的集中力和豎向集中力,如圖 4 所示。模型的邊界條件為支座處按實(shí)際受力情況進(jìn)行約束。模型中,板殼單元與梁單元之間選用軟件提供的耦合功能連接, 交界面上滿足平截面假定。

圖 4 斜拉索索力模擬

2.3計(jì)算參數(shù)

材料參數(shù)取值如表 1 所示

表 1 計(jì)算選用的材料參數(shù)表

3.正交異性鋼箱梁力學(xué)行為分析

3.1鋼箱梁變形分析

不同荷載下鋼箱梁橫向變形結(jié)果如圖 5 所示,在二恒作用引起的鋼箱梁跨中截面頂板豎向相對(duì)變形沿橋梁寬度分布的不均勻性最顯著,最大相對(duì)差值為-2.8 mm (圖5b)?？傮w來看,鋼箱梁橫隔板間距較小,盡管鋼箱梁寬度達(dá) 55 m,但鋼箱梁橫向剛度較均勻,鋼箱梁橫向變形基本一致。

圖 5 鋼箱梁跨中截面頂板豎向相對(duì)變形分析

3.2鋼箱梁應(yīng)力分析

選取跨中典型截面對(duì)鋼箱梁頂板正應(yīng)力沿橫橋向的分布進(jìn)行分析,鋼箱梁典型節(jié)段在三種荷載作用下的Mises應(yīng)力分布如圖 6 所示?？芍?截面最大Mises應(yīng)力為 93.7 MPa,由自重作用引起,其他兩種作用的影響遠(yuǎn)小于自重;橋面所選材料為Q345,其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 275 MPa,總體來看,鋼箱梁應(yīng)力具有較大的安全富余度。

圖 6 計(jì)算荷載作用下的鋼箱梁應(yīng)力云圖

4.U型加勁肋合理設(shè)計(jì)高度分析

在受力性能方面,U肋加勁的正交異性鋼橋面較其他截面形式有著明顯的優(yōu)勢(shì),在國內(nèi)外大型鋼箱梁中普遍采用的U型加勁肋,U肋高度對(duì)正變異性鋼橋面受力性能具有顯著影響。以下對(duì)此問題進(jìn)行探討,以期給出合理的U肋設(shè)計(jì)高度。

4.1研究方法和研究參數(shù)

建立正交異性鋼橋面板的局部受力分析模型,圖 7 所示計(jì)算模型長 3000 mm,寬 3000 mm,包括 5 個(gè)縱肋。邊界條件為橋面頂板支撐在縱肋和橫隔板上的各向同性連續(xù)板。保持U肋的頂、底寬和間距不變。通過改變U肋高度來研究U肋不同高度對(duì)結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的影響,U肋高度的變化范圍為260 ~ 320 mm。

圖 7 有限元模型

4.2 U肋高度對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

圖 8 為不同U肋高度變化時(shí)跨中截面橋面系最大位移云圖?？梢钥闯?隨著U肋高度的增加,位移呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),但這一趨勢(shì)并不明顯。因?yàn)閁肋剛度增大,而對(duì)橫梁腹板挖空增大導(dǎo)致橫梁剛度降低。從圖中位移數(shù)值計(jì)算可知,當(dāng)U肋高度增加30%,橋面系位移變化幅度不超過5%,U肋高度對(duì)橋面系位移的影響可以忽略不計(jì)。

圖 8 不同U肋高度時(shí)跨中截面橋面系位移云圖

4.3 U肋高度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

本文討論的橋面板為正交異性板,其順橋向和橫橋向的剛度收到U肋特性的影響,改變U肋高度,其力學(xué)實(shí)質(zhì)是改變截面中性軸位置和正交異性板兩個(gè)方向的剛度比。圖 9 為U肋高度變化時(shí)邊跨跨中截面處橋面板最大應(yīng)力。從圖 9 可見,隨著U肋高度增加,橋面系剛度增大,而且全截面整體中性軸上移,距離橋面板的距離減小,橋面板最大應(yīng)力減小。從圖中應(yīng)力值計(jì)算可知,當(dāng)U肋高度增加30%,橋面板最大應(yīng)力變化幅度不超過8%,U肋高度對(duì)橋面系位移的影響亦較小。

圖 9 不同U肋高度時(shí)跨中截面橋面系應(yīng)力云圖

5.結(jié)束語

本文對(duì)賈魯河橋大寬跨比的超寬正交異性鋼箱梁的力學(xué)行為進(jìn)行了詳細(xì)分析,并對(duì)正交異性鋼箱梁U型加勁肋的合理設(shè)計(jì)高度進(jìn)行了探討,得到如下結(jié)論:

1)由二恒作用引起的鋼箱梁跨中截面頂板豎向相對(duì)變形沿橋梁寬度分布的不均勻性最顯著,最大相對(duì)差值為-2.8 mm?？傮w來看,鋼箱梁橫向剛度較均勻,鋼箱梁橫向變形基本一致,施工時(shí)可不設(shè)橫向預(yù)拱度; 

2) 由自重作用引起的Mises應(yīng)力最大,為93.7 MPa,其余兩種作用下的最大Mises應(yīng)力約為自重引起的1/4?？傮w來看,鋼箱梁應(yīng)力具有較大的安全富余度; 

3)分析表明,當(dāng)U肋高度在 260 ~ 320 mm 范圍變化時(shí),其橋面系位移變化幅度不超過5%,橋面板最大應(yīng)力變化幅度不超過8%,此范圍內(nèi)U肋高度變化對(duì)橋面系位移和應(yīng)力的影響均較小,設(shè)計(jì)上宜采用此范圍內(nèi)的U肋高度。

來源：公眾號(hào)“鋼結(jié)構(gòu)”