鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋人行道鋪裝安全性研究

閆　旭　張四國(guó)　張一卓

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津　300051)

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鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋人行道鋪裝安全性研究

閆旭張四國(guó)張一卓

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津300051)

基于有限元法的相關(guān)知識(shí)，利用ANSYS有限元軟件，建立了某鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋的仿真模型，分析了主梁人行道板的鋪裝安全性，得到了不同施工荷載工況下主梁應(yīng)力分布情況，并與規(guī)范中規(guī)定的安全應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比，分析結(jié)果表明，在最不利工況下，該鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋的鋪裝安全性能夠得到保證。

鋼結(jié)構(gòu)，斜拉橋，鋪裝，應(yīng)力分析

0　引言

在實(shí)際橋梁的施工進(jìn)程中，二期鋪裝的施工是非常重要的環(huán)節(jié)，二期恒載作為主梁恒載的一部分，對(duì)主梁的成橋應(yīng)力影響很大。二期鋪裝主要由底層瀝青混凝土和上層混合料組成，在施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)造成材料集中堆載、攤鋪機(jī)械超載等現(xiàn)象，嚴(yán)重的可能造成新建橋梁的結(jié)構(gòu)損傷甚至垮塌[1]。因此，合理設(shè)計(jì)二期鋪裝的攤鋪流程非常重要，特別是鋼橋面的鋪裝[2]。本文即利用ANSYS有限元軟件對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋的人行道鋪裝安全性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和評(píng)價(jià)。

1　工程簡(jiǎn)介

工程中某鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋，主梁寬度45.5 m，鋪裝層為3.5 cm厚瀝青混凝土和3.5 cm厚SMA混合料，人行道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道寬度為5 m，主梁上斜拉索錨固點(diǎn)間距離為7 m，主梁橫隔板間距3.5 m，人行道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道懸臂板由間距為3.5 m的鋼結(jié)構(gòu)斜撐支撐，主梁一般斷面和主梁平立面結(jié)構(gòu)分布圖分別如圖1和圖2所示。

要對(duì)人行道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道進(jìn)行鋪裝，瀝青混凝土澆筑鋪裝機(jī)械為軸重4 t+13 t+13 t的庫(kù)卡車(chē)和軸重為15 t的澆筑式履帶攤鋪機(jī)，機(jī)械布置如圖3所示。

如圖4所示為SMA混合料攤鋪?zhàn)鳂I(yè)施工機(jī)械布置圖，分別布置總重30 t的庫(kù)卡車(chē)、35 t的攤鋪機(jī)和26 t的壓路機(jī)等重型機(jī)械，其中各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸及布置如圖4所示。

其中，庫(kù)卡車(chē)后輪軸線距離SMA攤鋪機(jī)履帶前緣距離不小于0.8 m，攤鋪機(jī)履帶后緣距離壓路機(jī)前輪軸線距離不小于2.5 m，相鄰壓路機(jī)后輪軸線與前輪軸線距離不小于2 m，驗(yàn)算在最不利布置情況下，主梁邊懸臂和斜撐的安全性。

2　有限元建模

1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

鋪裝驗(yàn)算主要驗(yàn)算部位為人行道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道行車(chē)道板，因此建模時(shí)橫向范圍取懸臂端至第一支座的區(qū)段；縱向取48 m長(zhǎng)度以便布載，如圖5所示，實(shí)心圓點(diǎn)表示斜撐位置；不考慮主梁頂?shù)装錟形加勁肋的倒角弧度；不考慮頂板縱向加勁肋的過(guò)焊孔；不考慮懸臂斜撐處加勁肋交接處的倒角。

2)單元選取。

鋼箱梁各個(gè)部件均由不同厚度的鋼板通過(guò)焊接連接成一體，建模中用Shell63板單元模擬各個(gè)板件，板件交接處共用節(jié)點(diǎn)自由度。

3)邊界條件。

約束箱梁在支座處的自由度和模型縱向邊界上的自由度。

4)荷載狀況。

鋪裝驗(yàn)算考慮梁體自重、鋪裝荷載、護(hù)欄荷載和機(jī)械荷載。

各個(gè)板件厚度如表1所示。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定[3]，最大厚度為30 mm的Q345鋼板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295 MPa，求得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)處的相當(dāng)應(yīng)力值不超過(guò)295 MPa即可。鋼材為塑性材料，相當(dāng)應(yīng)力取第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力(ANSYS中von Mises stress)。

表1　板件厚度匯總表　mm

3　分析結(jié)果

3.1瀝青混凝土澆筑驗(yàn)算

如圖6所示為不同工況下的荷載布置圖，分別為僅作用庫(kù)卡車(chē)荷載、僅作用攤鋪機(jī)荷載和同時(shí)布置庫(kù)卡車(chē)及攤鋪機(jī)荷載的工況。

如圖7所示為不同工況下懸臂應(yīng)力最大處的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為168 MPa，214 MPa和205 MPa，均小于容許應(yīng)力。

3.2SMA混合料鋪裝驗(yàn)算

如圖8所示為不同工況下的荷載布置圖，分別為僅作用庫(kù)卡車(chē)荷載、僅作用攤鋪機(jī)荷載、僅作用壓路機(jī)機(jī)荷載和同時(shí)布置庫(kù)卡車(chē)、攤鋪機(jī)和壓路機(jī)荷載的工況。

如圖9所示為不同工況下懸臂應(yīng)力最大處的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為180 MPa，229 MPa，205 MPa和244 MPa，均小于容許應(yīng)力。

4　結(jié)語(yǔ)

不同澆筑類型和荷載工況下懸臂的等效應(yīng)力如表2所示。

表2　主梁鋼板澆筑應(yīng)力　MPa

在最不利荷載工況下，瀝青混凝土澆筑時(shí)，僅攤鋪機(jī)作用下，頂板、頂板縱向加勁和懸臂橫隔板的交匯處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力214 MPa；SMA混合料澆筑時(shí)，庫(kù)卡車(chē)和攤鋪機(jī)距離最近時(shí)，頂板、頂板縱向加勁和懸臂橫隔板的交匯處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力244 MPa，均小于最大屈服容許應(yīng)力295 MPa。橋面鋪裝中應(yīng)嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行，以免產(chǎn)生不必要的資金投入并影響橋梁應(yīng)有的使用年限[4]。

[1]于顯波.大跨徑橋梁橋面鋪裝破壞成因與防治[J].橋梁與隧道,2008(17):118-119.

[2]李建斌.鋼橋面復(fù)合鋪裝設(shè)計(jì)及其參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響[J].橋梁與隧道工程,2014(16):132-136.

[3]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]王彥里.高等級(jí)公路橋面鋪裝施工[J].現(xiàn)代公路,2012(18):178-180.

Study of the sidewalk paving safety for a steel cable-stayed bridge

Yan XuZhang SiguoZhang Yizhuo

(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)

Based on the knowledge of FEM, a simulation model of a steel cable-stayed bridge was bulit using ANSYS. The sidewalk paving safety of the main beam was analyzed. The stress distribution of the main beam under different load cases was obtained and the results were compared with the results of specification. The results showed that the sidewalk paving safety for the steel cable-stayed bridge can be guaranteed.

steel, cable-stayed bridge, paving, stress analysis

1009-6825(2016)19-0159-03

2016-04-21

閆旭(1988- )，男，碩士；張四國(guó)(1973- )，男，高級(jí)工程師；張一卓(1979- )，男，工程師

U443.34

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