大寬跨比的正交異性鋼箱梁力學(xué)行為分析

李 冰 潘慧杰

1中電建路橋集團有限公司（100048） 2鄭州理工職業(yè)學(xué)院（450000）

0 前言

正交異性鋼橋面板以其自重輕、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，廣泛應(yīng)用于公路橋梁和鐵路橋梁，它的應(yīng)用代表著一個國家鋼橋設(shè)計和制造水平[1]。正交異性鋼橋面板容易發(fā)生最大應(yīng)力引起應(yīng)力集中和疲勞裂縫，而結(jié)構(gòu)在反復(fù)的輪壓作用下的局部受力是引起疲勞裂縫的最主要原因，疲勞裂縫已經(jīng)成為鋼橋設(shè)計中的世界性難題。

文章以人文路賈魯河橋為例，利用有限元軟件Midas對鋼箱梁橋進行力學(xué)性能分析，以保障橋梁施工過程的穩(wěn)定與安全，為類似工程提供參考。

1 工程概況

人文路賈魯河橋是典型的無背索斜拉橋，主橋采用雙索面獨塔結(jié)構(gòu)，橋梁全寬55 m，為塔梁固結(jié)體系。主塔上塔柱高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 m+120 m+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構(gòu)架。

2 有限元模型

文章采用的混合有限元法計算的準(zhǔn)確性，對混合單元模型與桿系模型在二恒和活載作用下的變形進行對比。

2.1 計算模型

采用混合有限元模型對賈魯河橋進行分析，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，混合模型共計生成殼單元101 549個，梁單元68個。

2.2 計算參數(shù)

主梁的材料參數(shù)取值見表1。

表1 計算選用的材料參數(shù)表

2.3 計算荷載

計算荷載包括梁體自重、二期鋪裝和公路I級汽車荷載?；旌嫌邢拊Ｐ椭辛簡卧惺芎奢d以線荷載形式施加到梁單元上。全橋按8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。

3 鋼箱梁受力分析

3.1 鋼箱梁變形分析

賈魯河橋鋼箱梁寬55 m，橫向尺寸大，采用整體桿系模型可以計算得到梁段的豎向變形。但對于梁段的橫向變形，整體桿系模型無法給出精確的計算結(jié)果。文章基于空間板殼模型，重點分析鋼箱梁橫橋向變形。

鋼箱梁橫向變形分析表明：自重作用下鋼箱梁橫向相對變形（橫橋向其他點相對于鋼箱梁中線處點的變形）最大值為1 mm，二恒作用下鋼箱梁橫向相對變形最大值為-2.8 mm（如圖1所示），活載作用下鋼箱梁橫向相對變形最大值為1.7 mm（如圖2所示）。鋼箱梁橫隔板間距較小，鋼箱梁橫向剛度較大，盡管鋼箱梁寬度達55 m，但結(jié)構(gòu)橫橋向變形基本一致[1]。

圖1 二恒作用下鋼箱梁橫橋向相對變形（相對于箱梁中線位置）

圖2 活載作用下鋼箱梁橫橋向相對變形（相對于箱梁中線位置）

自重、二恒和1/2活載下的鋼箱梁橫向累積相對變形在-2~1.6 mm。

3.2 鋼箱梁應(yīng)力分析

賈魯河橋鋼箱梁橫向尺寸大，采用正交異性板結(jié)構(gòu)，鋼箱梁空間受力效應(yīng)明顯，采用桿系模型無法反映結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力分布。文章基于空間板殼模型，重點分析鋼箱梁在二恒和活載作用下的空間應(yīng)力情況，并與梁單元計算結(jié)果進行對比以評估鋼箱梁的剪力滯效應(yīng)。

以跨中一典型截面為例，對鋼箱梁頂板正應(yīng)力沿橫橋向的分布進行分析，分析表明:自重作用下頂板正應(yīng)力橫向分布變化范圍為3.45～13.07 MPa，二恒作用下頂板正應(yīng)力橫向分布變化范圍為-7.71～13.55 MPa，自重作用下頂板正應(yīng)力橫向分布變化范圍為-6.26～12.05 MPa。自重作用下鋼箱梁頂板正應(yīng)力沿橫向分布不均勻性較二恒和活載下更突出。鋼箱梁截面剪力滯效應(yīng)較明顯，二恒作用下最大剪力滯系數(shù)為1.21。

3.3 鋼箱梁施工過程應(yīng)力控制

施工過程中對鋼箱梁的關(guān)鍵截面進行了應(yīng)力監(jiān)控，在環(huán)縫焊接工況下鋼箱梁應(yīng)力變化的最大值為0.7 Mpa，在塔柱施工工況下跨中截面應(yīng)力變化最大24.9 Mpa。應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，所有測點應(yīng)力均未超出材料的強度設(shè)計值，說明施工過程結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語

文章對賈魯河橋鋼箱梁建立了精細的分析模型，首先通過混合單元模型與桿系模型的計算對比，驗證了混合單元模型計算的正確性。接著對自重、二恒和活載作用下的鋼箱梁橫向變形進行了分析，分析表明二恒作用下鋼箱梁橫向相對變形最大，其值為-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。對自重、二恒和活載作用下的鋼箱梁應(yīng)力分析表明:自重作用下頂板正應(yīng)力橫向分布不均勻性最突出，變化范圍為3.45～13.07 MPa?？傮w來看，鋼箱梁應(yīng)力具有較大的安全富余度（Q345鋼材強度設(shè)計值為275 MPa），但鋼箱梁截面剪力滯效應(yīng)較明顯，二恒作用下最大剪力滯系數(shù)為1.21。對施工過程鋼箱梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力監(jiān)控表明，施工過程測點結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均未超出鋼材強度設(shè)計值，結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)。