匝道彎鋼箱梁主要體系力學(xué)行為分析

摘要：文章以云南某立交區(qū)匝道彎鋼箱梁為例，通過(guò)有限元軟件對(duì)其在正常運(yùn)營(yíng)下的狀態(tài)建立模型，并對(duì)其鋼主梁縱向以及腹板及加勁肋等構(gòu)件，即鋼箱梁的第一體系以及第二體系的受力進(jìn)行分析，驗(yàn)證彎鋼箱梁在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的力學(xué)行為。結(jié)果表明：該橋在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的受力良好，且支座始終保持在受壓狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：匝道；鋼箱梁；受力分析

中圖分類號(hào)：U441+.5

0 引言

鋼箱梁因其梁高相對(duì)較小、自重較輕，能在工廠預(yù)制好，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接施工，有效加快施工進(jìn)度而受到工程行業(yè)人員的青睞。尤其是其箱式內(nèi)部為密閉空間，能夠有效隔絕空氣和氧氣進(jìn)入，有利于延長(zhǎng)涂裝和橋梁的整體壽命，且其自身抗彎和抗扭剛度較大，在小半徑曲線橋以及在運(yùn)營(yíng)時(shí)偏心荷載較大時(shí)能夠保證其安全性。此時(shí)有必要對(duì)其受力性能進(jìn)行分析［1］。

在進(jìn)行鋼箱梁受力分析時(shí)，因其加勁肋的存在，造成其橋面板在縱向和橫向的受力不一致，屬于正交異性。因此在進(jìn)行受力分析時(shí)，需要關(guān)注第一體系的鋼橋面板和縱向加勁肋主梁以及第二體系的縱肋、橫肋和橋面板組成的橋面系結(jié)構(gòu)。由于第三體系直接承受車輪荷載，而橋面板的應(yīng)力呈現(xiàn)為薄膜應(yīng)力狀態(tài)［2］，能夠承受較大的超額承載力，因此在設(shè)計(jì)中，往往只考慮第一體系和第二體系的受力。本文以云南某立交區(qū)匝道彎鋼箱梁為例，通過(guò)有限元軟件模擬其第一體系和第二體系在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的受力情況并對(duì)其進(jìn)行分析來(lái)驗(yàn)證其安全性，計(jì)算結(jié)果表明，該彎橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的支座均處于受壓，且整體的安全系數(shù)較高，滿足運(yùn)營(yíng)要求［3］。

1 工程概況

B匝道全部為鋼箱梁，其跨徑組合為：［（3×29）+（30.57+37+30.57）+（3×28.275）+（25+38.5+20+23.558）+（23.558+26+26+26）+（4×34.3）］m，共六聯(lián)。單箱雙室截面，梁高1.6 m，頂板腹板厚16 mm（支點(diǎn)附近加厚至28 mm）、底板厚18 mm（支點(diǎn)附近加厚至28 mm），頂?shù)装蹇v向采用倒T型加勁肋，加勁肋間距275～327.5 mm，橫向加勁肋間距約2 m。上部箱梁鋼板采用Q345C型鋼板。

由于匝道曲線半徑較小，匝道橋跨越地鐵地下空間及市政道路，同時(shí)為了加快施工進(jìn)度，縮短施工周期，減小工程實(shí)施對(duì)項(xiàng)目區(qū)域的影響。對(duì)于曲線半徑較小、跨度較大以及地鐵站區(qū)域采用鋼箱梁［4］。

為減小板底局部承壓效應(yīng)，為使支座受力均勻，支座設(shè)計(jì)為水平放置。橋梁縱坡由墩臺(tái)高差調(diào)整形成；橋面橫坡采用支座墊石設(shè)置橫坡，橋墩墩帽及橋臺(tái)臺(tái)帽水平設(shè)置。上部板底設(shè)置楔形塊，使箱梁坡度與橋面橫坡相同。其斷面如圖1所示。

2 有限元分析

上部箱梁按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，運(yùn)用橋梁空間程序進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)主要控制截面的內(nèi)力、應(yīng)力和位移進(jìn)行計(jì)算，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在施工、使用階段均滿足規(guī)范要求［5］。

2.1 計(jì)算荷載

（1）包括梁體自重（按78.5 kN/m3計(jì)），8 cm瀝青混凝土+2道防撞欄桿（每道取8 kN/m）；

（2）汽車荷載及沖擊力：汽車活載按城-A級(jí)，沖擊系數(shù)按規(guī)范JTG D60-2015取用，按車輛實(shí)際形式情況考慮中載和偏載情況。

（3）混凝土收縮徐變：按規(guī)范JTG D3362-2018附錄C取用。

（4）溫度荷載：按規(guī)范JTG D60-2015第4.3.12條取用；整體升溫30°，整體降溫20°。

（5）縱向不均勻沉降：B匝道第一聯(lián)單墩沉降10 mm，取其最不利組合；其余聯(lián)單墩沉降5 mm，取其最不利組合。

（6）基本組合：按規(guī)范JTG D60-2015第4.1.5條進(jìn)行。

組合Ⅰ：頻遇組合（短期效應(yīng)組合）；按規(guī)范JTG D60-2015第4.1.5條進(jìn)行。

組合Ⅱ：準(zhǔn)永久組合（長(zhǎng)期效應(yīng)組合）；按規(guī)范JTG D60-2015第4.1.5條進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)值組合：按規(guī)范JTG D60-2015第4.1.8條進(jìn)行。

2.2 模型分析

采用有限元軟件分析曲線上鋼箱梁的受力特性，鋼箱梁采用空間梁格模型進(jìn)行模擬，見(jiàn)圖2?？v梁梁格劃分時(shí)盡量保證單根梁的中心軸和整體截面中心軸高度一致，各縱梁按全截面寬度建立，橫梁根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的有效截面寬度確定。由于篇幅有限，本文取最不利的第二聯(lián)進(jìn)行受力分析。

3 橫向驗(yàn)算

3.1 支反力驗(yàn)算

將模型中數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并整理如表1所示。

由表1可知，在基本組合（分項(xiàng)系數(shù)均為1.0，即標(biāo)準(zhǔn)值組合）作用下，該聯(lián)橋梁中最大支反力為3 821 kN，出現(xiàn)在B5中墩，最小支反力為252 kN，出現(xiàn)在B6邊墩，這是由于該橋處于匝道小曲線半徑上，支座在承受來(lái)自上部汽車荷載和自重情況下，由于偏心的存在造成支反力不均。在邊墩位置，外側(cè)支反力小于內(nèi)側(cè)支反力，但在中墩位置，內(nèi)側(cè)支反力小于外側(cè)支反力。這是因?yàn)樵摌虻倪吙绫群桶霃骄^大，易造成支座脫空情況，但根據(jù)表1數(shù)據(jù)，該橋支座始終保持受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)脫空等不安全情況，滿足規(guī)范要求。

3.2 抗傾覆驗(yàn)算

將模型中數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并整理如表2～3所示。

近期國(guó)內(nèi)由于以往設(shè)計(jì)考慮為獨(dú)柱墩，且匝道上存在超載現(xiàn)象，對(duì)于抗傾覆設(shè)計(jì)顯得尤為重要，本設(shè)計(jì)考慮為雙柱墩結(jié)構(gòu)，且在進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)時(shí)，不止考慮汽車本身的設(shè)計(jì)荷載，對(duì)于汽車存在的超載情況也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目紤]，以期能夠保證其在不安全運(yùn)營(yíng)情況下的安全狀態(tài)。由表2～3可知，在最不利傾覆荷載作用下，其傾覆力矩值為2 648.81 kN·m，而包括各個(gè)墩柱自重在內(nèi)，其合計(jì)的穩(wěn)定力矩為48 717.15 kN·m，各聯(lián)鋼箱橫梁抗傾覆安全系數(shù)最小為18.39，均＞2.5，即在存在一般情況的超載情況，該橋也能較好地利用自重來(lái)進(jìn)行平衡，鋼箱的橫橋向抗傾覆滿足規(guī)范要求。

4 體系受力驗(yàn)算

4.1 第一體系驗(yàn)算

正應(yīng)力按各縱梁全截面計(jì)算，考慮截面有效寬度的正應(yīng)力根據(jù)該應(yīng)力結(jié)果除以各截面的綜合有效寬度比值確定。由于篇幅有限，僅列舉出鋼箱梁截面上緣正應(yīng)力圖如圖3所示，并將其他數(shù)據(jù)整理如表4所示。

由表4可知，該匝道橋上緣的最大正應(yīng)力為92 MPa，出現(xiàn)在中支點(diǎn)按照有效寬度計(jì)算的上緣。這是因?yàn)樵谥c(diǎn)位置處，該處受到的負(fù)彎矩較大，也就是說(shuō)在上緣位置受拉，因此上緣受到的應(yīng)力較大。相應(yīng)地，下緣最大應(yīng)力出現(xiàn)在中跨的跨中位置。承載能力極限狀態(tài)下，該聯(lián)按有效寬度計(jì)算的最大正應(yīng)力為147 MPa，＜270 MPa，正應(yīng)力滿足規(guī)范要求；各聯(lián)剪應(yīng)力均出現(xiàn)在支座附近，其最大值為84 MPa，＜155 MPa，剪應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4.2 第二體系驗(yàn)算

4.2.1 腹板最小厚度及最大橫向加勁肋間距驗(yàn)算

由于鋼箱梁腹板縱向加勁肋設(shè)置位置不滿足規(guī)范要求，故腹板驗(yàn)算僅考慮設(shè)置橫向加勁肋，不設(shè)置縱向加勁肋，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

4.2.2 腹板橫向加勁肋間距驗(yàn)算

驗(yàn)算按規(guī)范5.3.3-1a和5.3.3-1b進(jìn)行。由于B匝道各聯(lián)鋼箱梁構(gòu)造參數(shù)一樣，故選取受力最大的一聯(lián)（第二聯(lián)）進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表6所示。

4.2.3 腹板橫向加勁肋慣性矩驗(yàn)算

鋼箱梁腹板橫向加勁肋慣性矩驗(yàn)算如表7所示。

5 驗(yàn)算結(jié)果分析

在對(duì)腹板進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，腹板加勁肋的間距以及腹板高度對(duì)此處的受力狀態(tài)影響較大，尤其是對(duì)于高腹板，高腹板的轉(zhuǎn)動(dòng)約束是介于簡(jiǎn)支和固定邊約束之間的一種狀態(tài)，現(xiàn)有的計(jì)算方法為了取值保守，將其默認(rèn)選為固定約束。本文引用相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)的成果，運(yùn)用在較高腹板情況下，加勁肋的設(shè)置方法，并將其隨后的驗(yàn)算方法簡(jiǎn)化為一種較能反映腹板包括厚度、高度和加勁肋間距在內(nèi)對(duì)其正應(yīng)力和剪應(yīng)力影響的參數(shù)化表示。從表4～6數(shù)據(jù)可知，通過(guò)優(yōu)化設(shè)置參數(shù)后，第二體系的腹板及其加勁肋構(gòu)造均滿足規(guī)范要求，且其安全系數(shù)較高，能夠較好地保證其在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以云南某匝道橋?yàn)槔?，由于匝道曲線半徑較小，匝道橋跨越地鐵地下空間及市政道路，同時(shí)為了加快施工進(jìn)度、縮短施工周期、減小工程實(shí)施對(duì)項(xiàng)目區(qū)域的影響，對(duì)于曲線半徑較小、跨度較大以及地鐵站區(qū)域采用鋼箱梁預(yù)制吊裝安裝的方法。為更好地保證鋼箱梁運(yùn)營(yíng)后的安全狀態(tài)，需要對(duì)其在吊裝安裝前進(jìn)行受力分析。通過(guò)對(duì)其傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，隨后對(duì)其在運(yùn)營(yíng)荷載作用下鋼箱梁第一體系、第二體系的整體受力進(jìn)行分析，得出結(jié)論為，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，受力情況較為安全，能夠很好地滿足其在小半徑曲線上的運(yùn)營(yíng)安全。這可為類似工程項(xiàng)目提供參考。

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收稿日期：2024-03-21

作者簡(jiǎn)介：顧光明（1992—），碩士，工程師，研究方向：橋梁專業(yè)。