沈明軒　杜斌　郭仔翔　張玉濤　車小林　張興

摘 要：以山區(qū)某大跨度變截面鋼箱連續(xù)梁橋?yàn)橐劳?，使用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，揭示各種荷載工況下變截面連續(xù)鋼箱梁橋的受力特性和線形變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：對(duì)于大跨度變截面連續(xù)鋼箱梁而言，恒載對(duì)主梁的線形和應(yīng)力影響最大。在寒冷地區(qū)（升/降溫為460C/-210C），溫度對(duì)主梁應(yīng)力和線形的影響較小。

關(guān)鍵詞：變截面;大跨度連續(xù)梁橋;靜力分析;受力特性;線形變化

中圖分類號(hào)：U44? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）10-0111-03

鋼材是一種抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度較高的均質(zhì)材料[1][2]，因此鋼橋具備結(jié)構(gòu)自重輕、跨越能力大、工業(yè)制作程度高、運(yùn)輸方便、施工速度快等特點(diǎn)，逐漸成為山區(qū)新建橋梁的一種重要選擇。鋼箱梁橋是由正交異性橋面板和帶肋薄鋼板制成的底板、腹板和翼緣板構(gòu)成[3][4]。相較于混凝土箱梁，鋼箱梁的頂板、腹板和底板比較薄，具有良好的抗彎、抗剪能力。但抗扭能力差，通常需要設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的橫隔板來提高橋梁的整體剛度，以改善連續(xù)鋼箱梁抵抗扭轉(zhuǎn)、畸變的性能。

當(dāng)前中外眾多專家學(xué)者針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式，相繼提出了各種各樣的計(jì)算理論和分析方法，大致分為解析法，半解析法，數(shù)值法三類[5]～[8]。單梁法是一種常用數(shù)值模擬方法，該方法基于系梁理論進(jìn)行計(jì)算，通常把連續(xù)梁橋當(dāng)作集中在橋梁軸線中心處的單梁來計(jì)算[9]。

本文以貴州某大跨度連續(xù)鋼箱梁為例，利用有限元軟件MIDAS/Civil建立變截面鋼箱梁有限元模型，使用單梁法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力特性計(jì)算[10]，分析橋梁在各種荷載工況作用下的應(yīng)力響應(yīng)和線性變化。

1 工程概況及模型建立

該工程為四跨連續(xù)梁橋，跨徑組合為39m+71m+39m+39m，橋梁全長為188m，前三跨主梁采用變截面連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)體系，梁高從2.0m漸變至3.5m，第四跨主梁為等截面鋼箱梁，梁高為2.0m，縱向設(shè)置單向0.9%的縱坡，縱坡由0#臺(tái)至4#臺(tái)方向。橋?qū)?6.5m，布置兩車道，橋面橫向設(shè)置單向1.5%橫坡。連續(xù)鋼箱梁采用單箱四室的箱形截面形式，頂板采用帶U肋的正交異性鋼橋面板，腹板和底板為帶I形肋的薄鋼板，在縱橋向每隔2.5m設(shè)置一道橫隔板。本文采用大型橋梁專業(yè)軟件MIDAS Civil建立連續(xù)鋼箱梁的空間桿系有限元模型，利用梁?jiǎn)卧獊砟M由橋面板、底板、腹板、縱向加勁肋和橫隔板及翼緣板構(gòu)成的橋梁上部結(jié)構(gòu)。并考慮以下幾種荷載工況進(jìn)行靜力特性計(jì)算，分別為：自重作用、二期恒載作用、溫度作用、車道作用，全橋上部主體結(jié)構(gòu)共劃分為98個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為1～98;全橋劃分為97個(gè)單元，單元?jiǎng)澐譃?～97，上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。在節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)20、節(jié)點(diǎn)50、節(jié)點(diǎn)80及節(jié)點(diǎn)98采用一般約束分別模擬橋臺(tái)和橋墩支座約束。

2 主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

鋼箱梁屬于薄壁金屬箱體結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，假設(shè)鋼箱梁為彈塑性體[13]。對(duì)于大跨度鋼箱梁橋，恒載占總荷載的比例非常大，進(jìn)行空間有限元模擬時(shí)，縱向?qū)ΨQ撓曲應(yīng)力對(duì)鋼箱梁的影響遠(yuǎn)大于偏心荷載作用。恒載作用下，橫截面應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中表示縱向?qū)ΨQ撓曲作用下截面應(yīng)力，M表示縱向?qū)ΨQ撓曲作用產(chǎn)生彎矩，W表示抗彎截面模量。

在偏心荷載作用下，縱橋向彎曲扭轉(zhuǎn)作用在橫截面上形成縱向正應(yīng)力和剪應(yīng)力，橫向彎扭作用在箱梁薄壁桿件間形成橫向彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。偏載作用引起鋼箱梁橫截面應(yīng)力變化，橫截面應(yīng)力按下式計(jì)算：

式表示偏心荷載作用下截面應(yīng)力，表示縱向彎曲正應(yīng)力，表示橫向扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力，為畸變翹曲正應(yīng)力。

根據(jù)上述分析，并結(jié)合相關(guān)強(qiáng)烈設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求驗(yàn)算鋼箱梁截面應(yīng)力?？紤]橋自重作用（工況1）、二期恒載作用（工況2）、系統(tǒng)溫度作用（工況3）、車道荷載作用（工況4）及標(biāo)準(zhǔn)組合作用（工況5）下，取全橋65個(gè)節(jié)點(diǎn)作為應(yīng)力分析的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。通過空間有限元計(jì)算分析，得出控制點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)。各個(gè)工況下橋梁測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力如圖2和圖3所示。

計(jì)算結(jié)果表明：在自重作用下，主梁上緣最大應(yīng)力發(fā)生在1#墩墩頂截面，應(yīng)力大小為24.1MPa，主跨跨中截面上緣應(yīng)力為-20.7MPa;主梁下緣最大應(yīng)力發(fā)生在第二跨跨中截面，應(yīng)力值為36.6MPa。在二期恒載作用下，主梁上緣最大應(yīng)力發(fā)生在1#橋墩墩頂截面，應(yīng)力大小為7.01MPa;主梁下緣最大應(yīng)力發(fā)生在第一跨跨中截面，應(yīng)力值為-11.2MPa。系統(tǒng)溫度作用對(duì)主梁的應(yīng)力影響均小于0.2MPa。在車道荷載作用下，主梁上緣最大應(yīng)力發(fā)生在第四跨跨中截面，應(yīng)力為-12.5MPa;主梁下緣最大應(yīng)力發(fā)生在3#橋墩墩頂截面，應(yīng)力值為-16.2MPa。在標(biāo)準(zhǔn)組合荷載作用下，主梁上緣最大應(yīng)力為37.2MPa，主梁下緣最大應(yīng)力為53.4MPa。

綜上所述，在最不利荷載組合作用下，橋梁的應(yīng)力值為53.4MPa，符合應(yīng)力要求。在寒冷地區(qū)（升/降溫46℃-21℃），溫度對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響相對(duì)較小。恒載作用下主梁上緣和下緣受到的最大應(yīng)力分別是車道荷載作用下的2.5倍和2.9倍;恒載作用主梁受到最大應(yīng)力略大于系統(tǒng)溫度作用下的最大應(yīng)力。因此，恒載對(duì)大跨度連續(xù)鋼箱梁橋應(yīng)力影響最大。

3 主體結(jié)構(gòu)剛度分析

對(duì)于變截面連續(xù)鋼箱梁橋而言，主梁結(jié)構(gòu)線形是橋梁設(shè)計(jì)和施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)?？紤]5種工況作用下，主梁出現(xiàn)下?lián)蠒r(shí)，撓度值用負(fù)號(hào)（-）表示，出現(xiàn)向上翹曲時(shí)，撓度值用正號(hào)（+）表示。各種工況下，主梁線形變化情況如下圖4所示。

計(jì)算結(jié)果表明：在自重作用下，主梁發(fā)生一定變形，產(chǎn)生撓度。其中主梁在第二跨跨中出現(xiàn)最大撓度為-42.3mm;第四跨跨中撓度次之為-21.4mm。二期恒載作用下，主梁最大撓度出現(xiàn)在第二跨跨中位置，下?lián)现禐?12.4mm。溫度荷載作用下，當(dāng)環(huán)境升溫時(shí)，橋梁最大向上位移約為0.4mm;當(dāng)環(huán)境降溫時(shí)，橋梁最大下?lián)现禐?0.3mm。標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主梁在第二跨跨中位置出下最大下?lián)蠟?62.2mm。在各個(gè)橋墩附近鋼箱梁出現(xiàn)豎向上翹曲現(xiàn)象，撓度值比較小，其中3#橋墩附近出現(xiàn)5.2mm撓度。

綜上所述，相對(duì)恒載和移動(dòng)荷載對(duì)橋梁豎向的線形影響，溫度對(duì)橋梁豎向影響較小。恒載和移動(dòng)荷載作用是橋梁豎向變形的主要影響因素。為了控制主梁運(yùn)營階段的線性，保證橋梁通行安全，橋梁需要設(shè)置適宜的預(yù)拱度[14][15]。預(yù)拱度的大小宜為結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值與1/2車道荷載頻遇值產(chǎn)生的撓度值之和[16]。

主梁預(yù)拱度設(shè)置情況如圖5所示。

由圖5可知：沿縱橋向，各跨主梁設(shè)計(jì)預(yù)拱度采用拋物線的方式進(jìn)行擬合，各跨預(yù)拱度最大值出現(xiàn)在跨中位置，最小值出現(xiàn)在梁端位置。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，第一跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為6.5mm，第二跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為64.7mm，第三跨為8.4mm，第四跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為34.5mm。對(duì)于大跨度變截面連續(xù)鋼箱梁橋，主跨預(yù)拱度值大于邊跨預(yù)拱度值。

由圖5可知：沿縱橋向，各跨主梁設(shè)計(jì)預(yù)拱度采用拋物線的方式進(jìn)行擬合，各跨預(yù)拱度最大值出現(xiàn)在跨中位置，最小值出現(xiàn)在梁端位置。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，第一跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為6.5mm，第二跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為64.7mm，第三跨為8.4mm，第四跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為34.5mm。對(duì)于大跨度變截面連續(xù)鋼箱梁橋，主跨預(yù)拱度值大于邊跨預(yù)拱度值。

由圖5可知：沿縱橋向，各跨主梁設(shè)計(jì)預(yù)拱度采用拋物線的方式進(jìn)行擬合，各跨預(yù)拱度最大值出現(xiàn)在跨中位置，最小值出現(xiàn)在梁端位置。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，第一跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為6.5mm，第二跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為64.7mm，第三跨為8.4mm，第四跨設(shè)計(jì)預(yù)拱度值為34.5mm。對(duì)于大跨度變截面連續(xù)鋼箱梁橋，主跨預(yù)拱度值大于邊跨預(yù)拱度值。

4 結(jié)論

本文以山區(qū)某大跨度變截面連續(xù)鋼箱梁橋作為背景，利用Midas Civil中單梁法對(duì)橋梁上部主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算分析，揭示探析各種荷載工況下變截面連續(xù)鋼箱梁橋受力特性和線形變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）在最不利荷載組合作用下，橋梁的應(yīng)力值為53.4MPa，符合應(yīng)力要求。

（2）在寒冷地區(qū)（升/降溫460C/-210C），溫度對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響相對(duì)較小。

（3）恒載對(duì)大跨度連續(xù)鋼箱梁橋應(yīng)力影響最大。

（4）相對(duì)恒載和移動(dòng)荷載對(duì)橋梁豎向的線形影響，溫度對(duì)橋梁豎向影響較小。恒載和移動(dòng)荷載作用是橋梁豎向變形的主要影響因素。

（5）對(duì)于大跨度變截面連續(xù)鋼箱梁橋，主跨預(yù)拱度值相較于邊跨預(yù)拱度值更大。

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