東平水道斜拉橋鋼箱梁設計研究

張　上,蘇　偉,尹春燕,周岳武

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津　300142)

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東平水道斜拉橋鋼箱梁設計研究

張上,蘇偉,尹春燕,周岳武

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津300142)

摘要：跨東平水道特大橋為獨塔雙索面鋼-混混合梁斜拉橋,跨徑組成為(35.0+260.0+51.5+66.0+62.5)m。鋼主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁,正交異性鋼橋面板。對鋼箱梁剪力滯,橋面系二、三體系應力,鋼箱梁扭轉(zhuǎn)等問題進行研究,確保結(jié)構(gòu)受力安全可靠。同時,通過數(shù)值分析驗證了設計的可靠性。此設計符合技術(shù)先進、安全可靠、經(jīng)濟合理等設計原則,其構(gòu)造形式及分析方法可供類似結(jié)構(gòu)借鑒。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；鋼箱梁; 剪力滯;設計

1概述

1.1工程概況

跨東平水道特大橋為佛山市南海區(qū)新型公共交通為跨越東平水道而設。本橋采用獨塔雙索面鋼-混混合梁斜拉橋，跨徑組成為(35.0+260.0+51.5+66.0+62.5) m，主橋長475.0 m；橋面布置為：雙向6車道公路+2線軌道交通+兩側(cè)人行道，總橋面寬46.5 m。鋼主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁，混凝土主梁采用分離式預應力混凝土箱梁。索塔橫橋向采用“A”字形，為混凝土塔，橋面以上塔高124.8 m，橋面以下塔高22.0 m。斜拉索采用高強鋼絲拉索，采用扇形布置，鋼梁側(cè)索距為9.0 m，混凝土梁側(cè)索距為6.0 m，索塔上索距約2.0 m。本橋采用墩-塔-梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系，全橋立面見圖1。

1.2鋼箱梁構(gòu)造

東平水道斜拉橋主梁采用等高度鋼箱-混凝土混合梁。主跨采用抗風性能好、整體性強、線條優(yōu)美的分離式流線形扁平鋼箱梁，分離鋼箱之間由密布工字形橫梁連接，橫梁上設置正交異性鋼橋面板。橋面板厚16 mm，箱梁底板厚14 mm，縱腹板厚14 mm或16 mm。鋼箱梁標準截面見圖2。

圖1　斜拉橋橋梁立面

圖2　鋼箱梁標準截面(單位：cm)

2正交異性鋼橋面板的受力分析

正交異性板在橋梁結(jié)構(gòu)中承擔多種作用，既是縱橫梁的上蓋板，又是把橋面荷載傳遞到橫梁和主桁上的構(gòu)件，同時又參與主桁的整體受力，薄壁扁平鋼箱梁鋼橋面板設計時按以下3個基本結(jié)構(gòu)體系進行研究。

第一體系：由頂板和縱肋組成的結(jié)構(gòu)系看成是主梁的一個組成部分，參與主梁共同受力，稱為主梁體系。

第二體系：由縱肋、橫肋和頂板組成的結(jié)構(gòu)系，頂板被看成縱肋、橫肋上翼緣的一部分。第二體系起到了橋面系結(jié)構(gòu)的作用，把橋面上的荷載傳遞到主梁和剛度較大的橫梁，稱為橋面體系。

第三體系：本結(jié)構(gòu)系把設置在肋上的頂板看成是各向同性的連續(xù)板，這個板直接承受作用于肋間的輪荷載，同時把輪荷載傳遞到肋上，稱為蓋板體系。

鋼橋面板的應力由以上3個體系的計算結(jié)果適當疊加而得到。設計過程中，第一體系應力通過總體計算求得。第二、第三體系應力通過建立局部應力分析模型求得。

采用通用分析軟件Ansys建立板單元局部模型，縱向選取兩個斜拉索跨度加橫梁下翼板寬共18.6 m，橫向取橋面半寬，單元類型選用SHELL63單元。有限元計算模型如圖3所示。

圖3　有限元計算模型

軌道交通路面荷載采用的列車活載圖式如圖4所示。

圖4　計算采用的單列列車活載圖式(單位：m)

公路路面荷載采用《城市橋梁設計規(guī)范》(CJJ11—2011)[5]中的“城-A級”車輛荷載。軌道交通荷載和公路荷載均考慮由軌道塊和鋪裝引起的擴散作用。

本橋鋼橋面板計算結(jié)果如表1所示。

表1　鋼橋面板應力　MPa

從表1可知：橋面板第二、三體系應力所占比重很大，在設計中不能忽略。本橋鋼箱梁采用Q345qD，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(TR10002—2005)[3]主力下鋼材容許應力210 MPa，主力+附加力下鋼材容許應力提高1.2倍，可見鋼箱梁應力滿足規(guī)范要求。

3剪力滯分析

目前，關(guān)于剪力滯的研究大多集中在結(jié)構(gòu)截面以受彎為主的簡支、懸臂或連續(xù)梁體系結(jié)構(gòu)，對于具有多個連續(xù)彈性支承且同時承受彎矩和軸壓的斜拉橋結(jié)構(gòu)研究較少。有效寬度一般只用于計算撓曲應力而不用于計算軸力產(chǎn)生的應力，但對于斜拉橋主梁，由于其軸力是通過斜拉索的水平分力以集中力的方式不連續(xù)地作用于主梁，在傳力點附近的力流是不均勻的，也有局部撓曲和剪力滯問題。為研究本橋主梁截面有效寬度問題，通過全橋板單元計算鋼梁剪力滯系數(shù)，剪力滯系數(shù)采用“截面最大應力/截面平均應力”的方法表示。

3.1有限元模型

采用通用分析軟件Ansys建立全橋模型，全橋模型見圖5。

圖5　模型離散圖

塔底采用固結(jié)約束，梁部分別在支座部位按其支座類型約束平動，其中混凝土梁上采用點約束，鋼梁板單元選擇與上支座板大小相同的面約束其平動。將自重、二期、索力、活載分解加載在模型上，其中自重、二期按實際加載，索力按一次成橋目標索力加載。公路活載采用車道荷載加載，根據(jù)《城市橋梁設計規(guī)范》(CJJ11—2011)[5]，車道荷載為一均布的線荷載(qk=10.5 kN/m)和集中力(Pk=360 kN)組成。為消除因局部加載造成的應力集中現(xiàn)象，在空間分析時，將均布的線荷載轉(zhuǎn)化為橫向3.5 m范圍內(nèi)的均布面荷載(q=3.0 kN/m2)；集中力考慮車輪在橋面的分布，轉(zhuǎn)化為施加在縱向3.0 m，橫向3.0 m范圍內(nèi)的均布面荷載(P=40 kN/m2)。軌道交通荷載按圖4加載，考慮其鋼軌、軌道板的擴散作用，轉(zhuǎn)化為均布荷載。在計算不同截面的剪力滯系數(shù)時，采用此截面產(chǎn)生最大應力的荷載布置方式，如計算主跨跨中中，采用主跨滿布公路荷載的工況，其余位置類似加載。由于不同荷載可能產(chǎn)生正剪力滯或負剪力滯，為了能正確地分析其受力規(guī)律，先分別按每種荷載計算其剪力滯系數(shù)，最后采用荷載組合計算剪力滯系數(shù)。

3.2分析結(jié)果

取梁半截面繪制應力-橫向位置曲線，曲線表豎向坐標為各點縱橋向應力值，橫坐標為鋼梁橫截面橫向距離(頂?shù)装宸謩e取值)，具體數(shù)值見圖6。

圖6　箱梁半截面坐標示意(單位：m)

由于單元劃分較粗，在截面角點處，存在應力集中現(xiàn)象，但對剪力滯計算影響不大，繪制應力曲線圖時依然保留了這些應力集中點的數(shù)值。部分工況下截面應力變化情況見圖7～圖10。

圖7　自重下主跨頂板1/2跨位置無索無隔板位置

圖8　自重下主跨頂板最大下?lián)衔恢糜兴鳠o隔板位置

圖9　二期下DP2號墩頂板無隔板位置

圖10　活載下主跨頂板最大下?lián)衔恢糜兴饔懈舭逦恢?/p>

各部位計算得到的剪力滯系數(shù)見表2、表3。

表2　頂板剪力滯系數(shù)

表3　底板剪力滯系數(shù)

由表2、表3可以看出，鋼梁雖然采用分離式鋼箱截面，但其整體性較好，除支點處外，其余位置剪力滯系數(shù)均未超過1.2。鋼梁主跨由于斜拉索的影響，剪力滯曲線與連續(xù)梁有很大不同。無斜拉索位置，在剛度較大的雙腹板區(qū)域存在正剪力滯，而在斜拉索錨固位置由于負彎矩的存在，會出現(xiàn)負剪力滯效應。同時由于橫斷面較寬，橋面橫坡造成截面高度差距較大。在自重、二期、索力、恒載作用下，除DP2號墩及極個別點外，剪力滯系數(shù)均未超過1.2，鋼梁(除DP2號墩位置)，采用1.2的剪力滯系數(shù)是可行的，DP2號墩位置剪力滯系數(shù)可取1.5，此剪力滯系數(shù)在整體計算模型中采用。

4鋼箱梁扭轉(zhuǎn)分析

東平水道斜拉橋為雙索面布置，對抗扭較為有利，但其斜拉索錨固位置在其橫斷面1/3和2/3處，同時采用分離式的鋼箱設計，鋼梁的抗扭剛度是設計的關(guān)鍵性問題。

采用最大偏載工況加載，即3車道公路+1線軌道交通+一側(cè)人行道荷載+風荷載。公路采用車道荷載，考慮車道折減系數(shù)及動力系數(shù)，風荷載采用風洞試驗得到的三分力系數(shù)，計算得到風力扭矩，加載到模型上。

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2013)[4]第10.2.4條“在列車活載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)梁體同一橫斷面上兩根鋼軌的豎向變形差形成的兩軌動態(tài)不平順不應大于6 mm。計算時，列車活載應計動力系數(shù)。不滿足時，應進行車橋或風車橋系統(tǒng)耦合振動分析?！庇捎诒緲蜉^為特殊，除承擔軌道交通荷載外，還承擔公路及人群荷載，各種荷載引起的2根鋼軌豎向變形差見表4。

表4　分離式鋼箱截面-各荷載引起的兩根鋼軌豎向變形差　mm

可見其軌道豎向變形差超過了6 mm，考慮將分離式鋼箱梁改為整體式鋼箱梁，提高其截面抗扭剛度，其計算結(jié)果見表5。

由表4、表5可見，改為整體式鋼箱梁后，兩根鋼軌的豎向變形差減少的幅度非常有限，證明原分離式截面抗扭剛度較大，梁部抗扭剛度不是制約鋼軌豎向變形的主要原因。在最不利加載橫斷面上，分離式鋼箱截面各點的豎向位移和橫向位置的曲線見圖11，可見除拉索錨固點位置與線性傾斜變形有所偏移外，其余位置基本符合線性傾斜變形，說明分離式鋼箱截面抗扭剛度較大，扭轉(zhuǎn)變形并不是主要控制因素。

表5　整體式鋼箱截面-各荷載引起的兩根鋼軌豎向變形差　mm

圖11　分離式鋼箱截面在活載下各點豎向位移和橫橋向位置的關(guān)系

軌面高差沿縱橋向的變化曲線見圖12，可見軌面高差從最高處5.7 mm變化到最低處4.9 mm的順橋向距離約為36 m，變化率較為平緩。

圖12　分離式鋼箱截面在活載下各點豎向位移和順橋向位置的關(guān)系

經(jīng)風車橋耦合振動分析，分離式鋼箱截面偏載下軌道交通行車安全性和舒適性均能滿足要求。同時有限元計算得到的鋼箱梁扭轉(zhuǎn)應力和翹曲應力不超過15 MPa，可見采用分離式鋼箱截面是合理且安全的。

5結(jié)語

東平水道斜拉橋主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁，公路交通和軌道交通同層布置，因此同一橋面既承擔公路荷載，又承擔軌道交通荷載，其應力、變形、疲勞等需同時滿足二者要求，經(jīng)過分析，得到以下結(jié)論：

(1)考慮橋面板第二、三體系應力后，鋼結(jié)構(gòu)應力滿足規(guī)范要求，鋼箱梁的受力狀態(tài)是安全可靠的；

(2)除支點位置外，鋼梁剪力滯系數(shù)均未超過1.2，僅在DP2號墩位置剪力滯系數(shù)可取1.5；

(3)分離式鋼箱梁截面的抗扭剛度較大，經(jīng)風車橋耦合振動分析，可滿足行車的舒適性和安全性。

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Design and Research of Steel Box Girder in Dongping Waterway Cable Stayed BridgeZHANG Shang, SU Wei, YIN Chun-yan, ZHOU Yue-wu

(The 3rd Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：Dongping Waterway Bridge is a single-tower double-sided cable stayed bridge with spans of 35.0+260.0+51.5+66.0+62.5m. The steel girder is of separated streamline steel box beam with orthotropic steel bridge deck. Such issues as shear lags, the second system stress, the third second system stress and turn-round related to the box girder are discussed to guarantee the security and reliability of the structure. Meanwhile, numerical method is used to analyze and certify the reliability the design, which is proved to conform to the design requirements for technological advantages, safety, reliability and economic reasonability. It is concluded that structural form and analytical method may serve as references for similar projects.

Key words：Cable stayed bridge; Steel box girder; Shear lags; Design

中圖分類號：U448.27

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.017

文章編號：1004-2954(2015)05-0078-04

作者簡介：張上(1983—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于西南交通大學結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學碩士，E-mail：zhang_shang@163.com。

收稿日期：2015-02-27