輪壓荷載下斜交鋼箱梁設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

劉 婧, 章 煦, 童 偉

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,湖北 武漢 430050;2.湖北交投隨岳高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限公司,湖北 武漢 430000)

0 引 言

隨著各省高速公路改擴(kuò)建如火如荼的進(jìn)行,其建設(shè)面臨的線形限制更多,斜交鋼箱梁橋在其橋涵部分的應(yīng)用比例逐漸增大。斜交鋼箱梁橋的橋梁結(jié)構(gòu)中心線與支撐連線兩者之間并不垂直,其斜度(橋梁支撐連線和軸線法向線之間的夾角)小于90°。斜交鋼箱梁橋施工經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好,結(jié)構(gòu)優(yōu)美,被廣泛應(yīng)用于公路立交、鐵路、河流等上跨工程中。斜交鋼箱梁橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由于受到自身構(gòu)造斜度的影響,在輪壓荷載作用下具備較為復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng),斜交橋受力不均勻性極容易引發(fā)一系列結(jié)構(gòu)破壞缺陷,如彎扭耦合效應(yīng)導(dǎo)致的支座反力不均勻、支座脫空等。因此,對(duì)斜交鋼箱梁橋開(kāi)展力學(xué)研究具備良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 斜交鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

相較于混凝土梁橋,斜交鋼箱梁橋具有自重輕、跨越能力強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。鋼箱梁橋大多采用工廠分節(jié)段預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)焊接的制造工藝,不需要開(kāi)展預(yù)應(yīng)力筋張拉工序,可極大提高結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量,縮短施工工期,減小施工對(duì)于現(xiàn)有交通通行的干擾。斜交鋼箱梁橋還具備以下特點(diǎn)。

1.1 薄壁結(jié)構(gòu)

斜交鋼箱梁橋?yàn)榈湫偷谋”诮Y(jié)構(gòu),多采取薄板橋面結(jié)構(gòu),橋面寬度、高度相對(duì)于面板厚度要大得多。斜交鋼箱梁橋薄壁結(jié)構(gòu)能夠減小橋梁高度,優(yōu)化結(jié)構(gòu)自重,能最大程度發(fā)揮鋼材的力學(xué)特性。箱形截面一般采取閉口薄壁結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)人員需要對(duì)鋼箱梁的承載能力、應(yīng)力進(jìn)行充分分析,鋼箱梁頂?shù)装逶O(shè)加勁肋,順橋向設(shè)置一定數(shù)量的橫隔板,以此增強(qiáng)鋼箱梁結(jié)構(gòu)剛度防止屈曲。此外,寬度較大的翼緣結(jié)構(gòu)易造成上部結(jié)構(gòu)較大的寬跨比,在翼緣板位置處容易產(chǎn)生剪力滯效應(yīng),需要在設(shè)計(jì)施工中重點(diǎn)關(guān)注。[1]

1.2 構(gòu)造復(fù)雜

相對(duì)于直橋,斜交鋼箱梁橋具備差異性極為明顯的結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì),如斜交鋼箱梁橋存在彎扭耦合效應(yīng),其支座反力不均勻,支座存在脫空風(fēng)險(xiǎn)等。斜交鋼箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部需要布置縱橫交錯(cuò)的肋梁,以此來(lái)維持橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,內(nèi)部復(fù)雜的構(gòu)造導(dǎo)致斜交鋼箱梁的受力特性難以進(jìn)行全面分析,其施工方法也極為復(fù)雜。斜交鋼箱梁橋面結(jié)構(gòu)主要采取正交異性板,橋面板的細(xì)部構(gòu)造較為復(fù)雜,且多存在分布不均勻的殘余應(yīng)力,自身缺陷性明顯的橋面細(xì)部構(gòu)造在長(zhǎng)周期循環(huán)往復(fù)作用的車輛荷載下會(huì)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)疲勞損傷。[2]

2 工程概況

本工程為湖北省內(nèi)某橋梁結(jié)構(gòu),考慮到交通流量壓力的不斷增大,建設(shè)單位擬順接舊橋軸線新建橋梁結(jié)構(gòu),緩解局部區(qū)域的交通壓力。新建橋梁為4跨設(shè)計(jì),跨徑(35+35+30+28)m,兩聯(lián)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)。橋面設(shè)計(jì)寬度為35 m,橋梁高度為1.2 m,橋面設(shè)計(jì)雙向六車道,設(shè)計(jì)速度為60 km/h,橋面鋪裝分兩層進(jìn)行,結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì):5 cm AC-16中粒式SBS改性瀝青混凝土(上面層)+5 cm超高性能混凝土(下面層)。橋面頂?shù)装搴穸确謩e為15 mm、25 mm,腹板厚度為20 mm,均采用正交異性鋼橋面板,橋面板下部設(shè)置U形閉口縱肋,縱肋上部寬310 mm,下部寬185 mm,縱肋間距為310 mm,肋高255 mm。主梁布置為橫向6箱室,單箱間距為2.2 m,寬度為3.4 m,鋼箱梁結(jié)構(gòu)采取Q345qD結(jié)構(gòu)鋼。橋梁結(jié)構(gòu)斜度為50°,橫橋向采取橫隔板連接。斜交鋼箱梁邊支座處采取通過(guò)支座中心的斜橫梁,其余橫梁則采取正交布置形式。項(xiàng)目擬對(duì)斜交鋼箱梁二聯(lián)(30+28)m開(kāi)展輪壓荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)分析。[3]

3 有限元模型分析

3.1 模型構(gòu)建

項(xiàng)目針對(duì)斜交鋼箱梁采取Midas/FEA有限元構(gòu)建板單元模型,并且對(duì)輪壓荷載作用下順橫橋向應(yīng)力、應(yīng)變特性進(jìn)行對(duì)比分析。本文通過(guò)軟件構(gòu)建局部模型,其中順橋向長(zhǎng)度為10 m,橫隔板布置間距為2 m,共包括6個(gè)橫隔板,橫橋向長(zhǎng)度為3.5 m,包括5個(gè)U形縱肋。板單元模型的生成需要先導(dǎo)入橫截面參數(shù),通過(guò)順橋向尺寸設(shè)定及后續(xù)擴(kuò)展賦予模型的板厚、主要材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)。局部有限元模型如圖1所示,模型X向?yàn)樾苯讳撓淞喉槝蛳?Y向?yàn)殇撓淞簷M橋向,Z向則為梁高及梁體豎向變形向。

圖1 斜交鋼箱梁局部有限元模型

3.2 邊界條件

建模過(guò)程中考慮到鋼箱箱梁橫隔板剛度穩(wěn)定性要大于橋面板,局部模型邊界條件設(shè)置中,需要將橫隔板進(jìn)行底部位置的固定約束。橋墩單個(gè)箱梁位置處需要設(shè)置單個(gè)支座,每個(gè)支座需要依據(jù)實(shí)際材料及布置形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬、約束,支座布置形式為:2號(hào)～4號(hào)橋墩位置分別需要設(shè)置1#～6#支座;2號(hào)及4號(hào)橋墩處1#～3#支座及5#～6#支座為雙向活動(dòng),僅對(duì)其豎向位移進(jìn)行約束,4#支座則對(duì)其橋梁橫向、豎向位移進(jìn)行約束;3號(hào)橋墩處1#～3#、5#～6#支座為雙向活動(dòng)支座,僅對(duì)其豎向位移進(jìn)行限制,4#支座則為固定約束,限制其三向位移。[4]

3.3 荷載施加

板單元局部有限元模型荷載施加類型主要包括移動(dòng)荷載、恒載、溫度荷載、支點(diǎn)沉降。其中,恒載主要包括局部結(jié)構(gòu)模型實(shí)際一期自重和二期恒載,移動(dòng)荷載主要采取公路-Ⅰ級(jí)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn),支點(diǎn)沉降采取結(jié)構(gòu)橫向5 mm、縱向2 cm,溫度荷載依照結(jié)構(gòu)整體降溫35 ℃、升溫39 ℃進(jìn)行計(jì)算。項(xiàng)目采取行車設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級(jí),其標(biāo)準(zhǔn)車輛縱面、平面布置如圖2所示,車輛荷載參數(shù)見(jiàn)表1。項(xiàng)目設(shè)定輪壓面積以后輪或大中輪接觸面積進(jìn)行計(jì)算,為600 mm×200 mm。[5]模型計(jì)算主要分析單輪行車荷載作用下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng),僅對(duì)圖2中的后軸標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載進(jìn)行橋面板的施加,單輪輪壓荷載作用面積設(shè)定為800 mm×400 mm,作用位置分別為順橋向橫隔板上、橫隔板間,其中可以對(duì)順橋向橫隔板上、橫隔板間輪壓加載分別設(shè)定為以下三種工況:騎U肋輪壓、U肋間輪壓、U肋上輪壓。

表1 車輛荷載參數(shù)

圖2 車輛荷載的立面、平面尺寸

4 斜交鋼箱梁局部力學(xué)響應(yīng)分析

4.1 變形

針對(duì)上述輪壓施加工況進(jìn)行局部模型計(jì)算,不同工況最大位移對(duì)比見(jiàn)表2。結(jié)果表明,橫隔板間U肋間加載具備最小豎向位移,為-0.501 mm,騎U肋加載豎向位移為-0.55 mm;橫隔板上U肋間加載時(shí)具備最小豎向位移,為-0.31 mm,橫隔板上騎U肋輪壓加載時(shí)具備最大豎向位移,為-0.32 mm。[6]除此之外,橫隔板間加載階段,最大位移主要產(chǎn)生在荷載施加位置跨中處;橫隔板上輪壓加載時(shí),位移最大值出現(xiàn)在1/4荷載施加長(zhǎng)度截面處,而不是出現(xiàn)在橫隔板截面位置。

表2 不同工況輪壓加載豎向位移對(duì)比

4.2 應(yīng)力

不同工況下的最大應(yīng)力對(duì)比統(tǒng)計(jì)如表3所示。結(jié)果表明,橫隔板上進(jìn)行輪壓加載時(shí),橫隔板頂板底部和頂部位置處的應(yīng)力存在急劇變化情況;橫隔板間施加輪壓時(shí),橋面板最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均要大于橫隔板上工況,荷載施加位置下方跨中截面處存在應(yīng)力最大值。橫隔板上進(jìn)行輪壓加載時(shí),1/4荷載長(zhǎng)度截面位置處出現(xiàn)應(yīng)力最大值,橫隔板截面位置并不存在應(yīng)力最大值。[7]此外,輪壓荷載局部作用區(qū)域內(nèi),橫向應(yīng)力分布要大于其余位置,頂板應(yīng)力橫橋向分布范圍相對(duì)較小,為3～5個(gè)U肋寬度范圍;U肋之間則表現(xiàn)為底部受拉、頂部受壓情況;橫隔板上、橫隔板間進(jìn)行輪壓加載時(shí),U肋間輪壓加載具備最小應(yīng)力值,騎U肋輪壓加載時(shí)具備最大應(yīng)力值。由此可見(jiàn),騎U肋加載為輪壓荷載施加最不利工況。

表3 不同工況輪壓加載最大應(yīng)力對(duì)比

4.3 橫隔板厚度、布置間距

項(xiàng)目針對(duì)輪壓荷載施加在橫隔板間、騎U肋工況進(jìn)行橫隔板厚度、橫隔板布置間距為單一變量的局部有限元模型構(gòu)建,對(duì)不同橫隔板厚度及橫隔板布置間距下的結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力、位移進(jìn)行對(duì)比分析,項(xiàng)目設(shè)定橫隔板厚度分別為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm(初始橫隔板厚度);設(shè)定橫隔板布置間距分別為2 m(初始橫隔板布置間距)、2.2 m、2.4 m、2.6 m。位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4、表5。結(jié)果表明,輪壓荷載作用下橋面板位移隨著橫隔板厚度增大而不斷減小,減小幅度在局部范圍內(nèi)為6%～9.5%;作用荷載影響區(qū)域內(nèi),沿橋縱橫向范圍的結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨橫隔板厚度變化沒(méi)有較大影響。[8]不同間距對(duì)應(yīng)力影響分析中,控制橫隔板厚度為初始厚度為20 mm,變化橫隔板布置間距,橫隔板采取正交布置形式,結(jié)果表明,橫隔板間距在輪壓荷載作用區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)力、位移橫向分布的影響較小;橫隔板間距變化主要對(duì)順橋向應(yīng)力、位移分布具有重要影響,且順橋向應(yīng)力、位移變化隨著橫隔板間距的變大而整體呈增大趨勢(shì),影響范圍也不斷增大。[9]為此,斜交鋼箱梁方案設(shè)計(jì)盡量選取較大的橫隔板厚度(20 mm)及較小的橫隔板布置間距(2 m),該類型正交異性板能夠顯著提升結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性,減小豎向變形及內(nèi)部應(yīng)力。

表4 不同橫隔板厚度下輪壓加載最大應(yīng)力、位移對(duì)比

表5 不同間距下輪壓加載最大應(yīng)力、位移對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

斜交鋼箱梁應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯,在跨路跨河形成斜交狀態(tài)中得到了大量使用。因斜交鋼箱梁結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造較多,成橋后在外界荷載作用下力學(xué)表現(xiàn)較為復(fù)雜,這對(duì)前期項(xiàng)目設(shè)計(jì)造成了較大阻礙。本文針對(duì)湖北省四跨兩聯(lián)斜交鋼箱梁進(jìn)行公路-Ⅰ級(jí)車輛荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形分析。研究結(jié)果表明,輪壓荷載在橫隔板間、騎U肋分布為最不利工況,此時(shí)具備最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力(拉應(yīng)力40.4 MPa、壓應(yīng)力-26.5 MPa)及最大豎向變形(-0.55 mm);設(shè)計(jì)需要盡量選取較大橫隔板厚度及較小橫隔板布置間距,這有助于減小結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力,優(yōu)化整體剛度。