關(guān)于城市交通大跨徑變截面小半徑鋼箱梁的受力性能研究

摘要 針對目前大跨度變截面鋼箱梁高架橋在小曲線半徑設(shè)計時所存在的受力復(fù)雜特性，該文以實際在建市政項目的大跨徑變截面小半徑鋼箱梁為依托，通過對該鋼箱梁建立有限元仿真模型，對不同荷載工況下的支反力和整體結(jié)構(gòu)計算進(jìn)行受力性能分析，得到其受力特點和設(shè)計要點。研究結(jié)果表明：該類型鋼箱梁中墩截面剛度明顯大于邊墩，這會導(dǎo)致主梁內(nèi)側(cè)支反力大于外側(cè)；汽車偏載對支反力存在重要影響，整體式雙向六車道斷面在雙車道偏載時產(chǎn)生最不利負(fù)支反力，建議加大支座間距或增加支座個數(shù)以提高鋼主梁的抗傾覆性。該文研究成果可為其他大跨度變截面小半徑鋼箱梁橋設(shè)計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 大跨徑；變截面小半徑鋼箱梁；有限元仿真；受力分析

中圖分類號 U448.21+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0076-03

0 引言

近年來，城市交通中鋼橋的應(yīng)用得到大力發(fā)展。在高架橋需要采用大跨徑跨越重要節(jié)點路口或控制因素時，橋梁上部結(jié)構(gòu)一般采用鋼箱梁或預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。鋼箱梁因其工廠分段加工現(xiàn)場吊裝施工工藝、橋梁上下部可同時施工、上部施工時對周圍環(huán)境影響極小等特點，相較于一次落架整體支架現(xiàn)澆連續(xù)混凝土箱梁和掛籃施工的變截面連續(xù)箱梁，有明顯的工期短、造價低、環(huán)境污染小的優(yōu)點，因此市政大跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)推薦采用鋼箱梁[1，2]。

該文對在建市政項目大跨徑變截面小半徑鋼箱梁的設(shè)計選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了探討和受力性能分析，對其受力特點和規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，為類似跨徑和類似半徑下變截面鋼箱梁設(shè)計提供參考和借鑒。

1 項目背景

該項目全長35 km，為全線高架橋的城市快速路，設(shè)計時速80 km/h，高架橋為整體式斷面，雙向六車道，整幅26.5 m寬。線位在跨越某市政路時，線位采用34°小角度跨越，同時需避開橋址東南角方向污水處理廠、物流園區(qū)和地下定向鉆等控制因素，所需跨徑較大，橋跨布置最終確定為62 m+106 m+62 m三跨變截面連續(xù)鋼箱梁。橋梁平面線性位于小半徑上，為典型小半徑大跨徑曲梁，且橋梁中線是由圓曲線、緩和曲線等組成的復(fù)合曲線，半徑僅300 m，曲線橋受力特征明顯。

2 變截面小半徑鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

該橋主梁結(jié)構(gòu)整幅設(shè)計，橋梁全寬26.5 m，兩側(cè)設(shè)0.5 m寬混凝土防撞護(hù)欄，中間設(shè)0.5 m中央分隔帶混凝土隔離墻。主梁采用頂板隨橫坡、底板水平、梁高外對齊的設(shè)計原則?？紤]頂板橫坡對有效腹板高度的影響，應(yīng)適當(dāng)性加大主梁高度，故跨中處梁高取3.0 m，高跨比為1/35.3，支點處梁高取5.0 m，高跨比1/21.2，梁高按1.8次拋物線進(jìn)行過渡。鋼箱梁頂?shù)赘拱鍢?biāo)準(zhǔn)段厚18 mm，中支點范圍局部加厚至22 mm。鋼箱梁采用正交異性橋面板，采用剛度較大的U肋對頂板進(jìn)行加勁，底板采用T肋進(jìn)行加勁，腹板采用板肋進(jìn)行加勁，橫隔板間距以2 m為標(biāo)準(zhǔn)間距。該橋位于小半徑曲線上，為提高主梁的抗傾覆能力，橋墩統(tǒng)一采用帶蓋梁的曲線雙柱墩，橫向設(shè)置四個等間距支座，邊支座總間距15.6 m，中支座總間距14.3 m，并在邊支點附近較長范圍內(nèi)設(shè)置壓重混凝土，在中支點一定長度范圍內(nèi)的箱室內(nèi)部配置鋼筋混凝土澆筑區(qū)。主梁鋼材型號采用Q345q-D，主梁一般構(gòu)造圖如圖1、2所示。

3 有限元建模建立

采用MIDAS/CIVIL 2021有限元程序進(jìn)行建模。第一體系整體模型橫隔板位置處劃分模型節(jié)點，基本維持在2 m左右一個單元，考慮加勁肋對主梁截面剛度的影響，在模型中予以考慮，按照常規(guī)空間鋼箱梁模型進(jìn)行計算，全橋共離散為124個單元。第一體系整體模型主要考慮荷載有一期恒載（自重、橫隔板、壓重等按集中力加載）、二期恒載（橋面鋪裝、護(hù)欄、聲屏障等）、汽車活載（車道荷載）、溫度荷載和不均勻沉降。鋼箱梁建模自重與實際鋼材重量差異性較大，一般應(yīng)對主梁容重系數(shù)進(jìn)行修正，取施工圖主梁重量（含焊縫）與模型自重的比值修正鋼材容重。第二體系整體模型將頂板進(jìn)行縱橫向分割，將考慮有效分布寬度的頂板看作頂板縱肋的翼緣，隔板看作邊界支撐，將結(jié)構(gòu)體系簡化為多跨連續(xù)梁。第二體系整體模型主要考慮荷載有一期恒載（縱肋和頂板自重）、二期恒載和活載。橋梁局部活載加載采用車輛荷載，車輛荷載基本組合分項系數(shù)按規(guī)范取1.8。同時，按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D60—2015）8.2.2條中規(guī)定，計算正交異性鋼橋面板時，汽車局部荷載作用的沖擊系數(shù)采用0.4。第一體系整體模型如圖3所示。

4 有限元受力分析

4.1 支座反力分析

大跨徑小曲線半徑鋼箱梁最核心的問題就是支反力的研究和分析。從理論上來說，小半徑鋼箱梁外側(cè)跨徑大于內(nèi)側(cè)，故在荷載作用下，曲線內(nèi)側(cè)支座反力會比外側(cè)小。同時理論上，在僅汽車偏載作用下，對向支座易出現(xiàn)負(fù)反力，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致橋梁出現(xiàn)傾覆問題。該文就此展開研究。

（1）恒載作用下支反力分析

大跨徑小曲線半徑鋼箱梁在內(nèi)外側(cè)不平衡自重恒載作用下，鋼箱梁會產(chǎn)生朝向外弧部分的扭矩，并通過內(nèi)外側(cè)支座反力來平衡這部分扭矩，造成外側(cè)支反力大于內(nèi)側(cè)支反力的結(jié)果[3]。

該文對第一體系模型進(jìn)行計算，利用MIDAS/CIVIL模型查詢恒載作用下的支座反力，將最大支反力值匯總?cè)绫?所示：

由模型結(jié)果來看，此鋼箱梁支反力并沒有出現(xiàn)如上分析的結(jié)果，而是橋梁內(nèi)側(cè)支反力大于外側(cè)。從力學(xué)剛度角度考慮，變截面鋼箱梁邊中截面剛度差異性大，即中支點截面剛度遠(yuǎn)大于邊支點截面，此時剛度的影響會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不再是三跨連續(xù)梁，而近似于可看作兩邊跨懸臂中支點受力的結(jié)構(gòu)體系。在這種體系下，自重力必然向內(nèi)側(cè)傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)支反力大于外側(cè)。

為驗證上述分析的正確性，將原鋼箱梁改為所有截面為跨中截面的等截面小半徑鋼箱梁，排除截面剛度的影響。建模運行后結(jié)果如表2所示。

由表2結(jié)果可知：截面剛度為支反力差異性的主控因素，即截面剛度的影響超過了主梁自重下的彎扭耦合力，從而造成在恒載作用下，變截面小半徑鋼箱梁的曲線內(nèi)側(cè)支反力大于外側(cè)。

（2）活載作用下支反力分析

車輛在曲線橋梁上行駛時，曲率對支反力影響較大，彎扭耦合現(xiàn)象較為明顯[4]。為盡可能反映該橋在運營期間車輛的不同加載情況，該文考慮對主梁進(jìn)行以下12種汽車荷載工況加載，研究汽車活載作用下支反力的受力情況：六車道外偏載；五車道外側(cè)載；四車道外偏載；三車道外偏載；雙車道外偏載；單車道外偏載；六車道內(nèi)偏載；五車道內(nèi)偏載；四車道內(nèi)偏載；三車道內(nèi)偏載；雙車道內(nèi)偏載；單車道內(nèi)偏載。將上述12種荷載工況輸入模型進(jìn)行計算，提取內(nèi)外側(cè)最小支反力匯總?cè)绫?所示。

從表3計算結(jié)果及抗傾覆角度來看，車道偏載對曲線鋼箱梁受力性能影響較大[5]。對于該文主梁26.5 m寬整體式雙向六車道斷面，雙車道偏載時對向支座支反力受力達(dá)到最不利情況，邊墩支座內(nèi)外側(cè)最不利支反力分別為-555.2 kN、-553.9 kN，中墩支座內(nèi)外側(cè)最不利支反力分別為-838.2 kN、-950.2 kN。故在進(jìn)行大跨度變截面小半徑鋼箱梁荷載組合的支座壓力儲備和抗傾覆系數(shù)驗算中，應(yīng)特別注意兩車道偏載的汽車活載工況，同時推薦采用帶蓋梁的曲線雙柱墩，可有效加大支座間距并增加支座個數(shù)，提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆性，必要時應(yīng)考慮設(shè)置壓重混凝土以提高支反力壓力儲備。

4.2 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析主要是按照承載能力極限狀態(tài)組合對其頂?shù)装宓膹澢龖?yīng)力和腹板剪應(yīng)力進(jìn)行驗算[6-8]，鋼橋面頂板需對第一體系和第二體系計算結(jié)果進(jìn)行疊加。整體強(qiáng)度分析體系已相對成熟，該文僅示意計算內(nèi)容和結(jié)論，以期為相似跨徑、相似半徑變截面鋼箱梁提供參考。

（1）鋼箱梁正應(yīng)力驗算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）第5.3.1條第1款的規(guī)定進(jìn)行鋼箱梁彎曲正應(yīng)力計算。經(jīng)計算，第一體系下鋼箱梁頂板最大彎曲正應(yīng)力值132.8 MPa，第二體系下U肋上緣最大正應(yīng)力值30.9 MPa，出現(xiàn)在主跨跨中截面位置，1.1倍基本組合下疊加壓應(yīng)力為163.7 MPa，小于鋼箱梁容許壓應(yīng)力值270 MPa，滿足規(guī)范要求。1.1倍基本組合下鋼箱梁底板最大彎曲正應(yīng)力值176.8 MPa，為拉應(yīng)力，出現(xiàn)在主跨跨中截面位置，小于鋼箱梁容許拉應(yīng)力值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）鋼箱梁腹板剪應(yīng)力驗算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）第5.3.1條第2款的規(guī)定進(jìn)行鋼箱梁腹板剪應(yīng)力計算。經(jīng)計算，1.1倍基本組合下鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力值為65.6 MPa，小于鋼箱梁容許剪應(yīng)力值155 MPa，滿足規(guī)范要求。

（3）疲勞應(yīng)力驗算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）第5.5條規(guī)定，應(yīng)按疲勞細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞驗算。采用疲勞荷載計算模型I進(jìn)行計算。經(jīng)計算，鋼箱梁上緣疲勞應(yīng)力幅值為11.7 MPa，下緣疲勞應(yīng)力幅值為15.4 MPa，滿足按規(guī)范計算的鋼箱梁疲勞正應(yīng)力幅限值38.2 MPa。鋼箱梁剪應(yīng)力幅值為6.4 MPa，滿足按規(guī)范計算的鋼箱梁疲勞剪應(yīng)力幅限值27.1 MPa。

5 結(jié)論

該文基于MIDAS/CIVIL 2021有限元軟件，對某大跨徑變截面小半徑鋼箱梁橋進(jìn)行受力性能分析，主要研究了恒載作用下、車輛活載作用下不同工況的支反力影響，并對鋼箱梁整體進(jìn)行設(shè)計計算，得出結(jié)論如下：

（1）城市交通高架橋跨越重要節(jié)點路口或控制因素時，優(yōu)先推薦鋼箱梁。鋼箱梁自重輕，架設(shè)安裝不影響地下交通運行，能較好地適應(yīng)曲率半徑較小的路線線形，結(jié)構(gòu)受力性能好。

（2）大跨徑變截面小半徑鋼箱梁，由于受力和構(gòu)造需要，中支點截面剛度遠(yuǎn)大于邊支點截面剛度，邊中支點截面剛度不均勻會改變支座受力的模式，產(chǎn)生內(nèi)側(cè)支反力大于外側(cè)支反力情況，與常規(guī)等截面跨徑鋼箱梁相反。

（3）小半徑鋼箱梁由于自身內(nèi)外側(cè)質(zhì)量分布不均勻，橫向彎矩效應(yīng)明顯，加上汽車偏載作用，易引起支座脫空，該文整體式六車道26.5 m主梁斷面鋼箱梁在雙車道偏載時達(dá)到最不利。設(shè)計中需考慮采取加大支座間距、增加支座個數(shù)、設(shè)置壓重混凝土等措施提高抗傾覆性。

（4）該文變截面小半徑鋼箱梁跨徑為（62+106+62） m，平曲線半徑為300 m，采用的梁高、隔板布置、縱向加勁布置、第一體系和第二體系疊加作用模式下頂?shù)装鍙澢龖?yīng)力和腹板剪應(yīng)力及疲勞荷載等結(jié)果均滿足規(guī)范要求，研究成果可為同類型大跨徑變截面小半徑鋼箱梁設(shè)計選型提供結(jié)構(gòu)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]戚中洋，王爽.變截面連續(xù)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計研究[J].交通科技， 2020（4）：10-14.

[2]劉孝輝，梁磊，安永日.變截面連續(xù)鋼箱梁斜橋受力特性分析[J].公路交通技術(shù)， 2015（4）：43-46.

[3]馮升陽，郭增偉，趙付強(qiáng).小半徑曲線連續(xù)箱梁橋恒載應(yīng)力的空間分布特性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2021（36）：15617-15623.

[4]孫渤佳，馬海龍，王榮霞，等.曲線鋼-混組合箱梁橋車橋耦合振動及支座受力研究[J].地震工程與工程振動， 2024（1）：137-147.

[5]鄭小博，蔣昆昆，侯煒，等.曲線鋼箱梁橋面板力學(xué)行為及構(gòu)造優(yōu)化研究[J].鐵道工程學(xué)報， 2024（5）：19-27.

[6]沈明軒，杜斌，郭仔翔，等.山區(qū)大跨度變截面鋼箱梁橋靜力特性分析[J].中國水運， 2019（10）：111-113.

[7]劉建威，于鵬，李德建.S型曲線鋼箱梁橋空間受力特性研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報， 2018（2）：427-437.

[8]馬雷，張龍，李建功，等.大跨度混凝土曲線箱梁橫截面正應(yīng)力分布研究[J].世界橋梁， 2017（6）：45-49.