某簡支鋼箱梁病害計算分析①

于西堯，馮克巖，楊立坤，趙興中

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津300000)

1 引 言

某園區(qū)一座主干道橋梁，跨越現(xiàn)狀景觀河道，跨徑20m，設(shè)計右偏角55 度，雙幅整體式鋼箱梁.

橋面全寬42m，分幅設(shè)置;橋梁間分隔帶凈寬5m，單幅橋橫斷面為2m 人行道+16m 車行道+0.5m 護(hù)欄=18.5m.梁高1m.設(shè)計采用整體鋼箱梁截面.斷面形式如圖1 所示.橋面鋪裝采用4cm 細(xì)粒式(上層)+5cm 中粒式瀝青混凝土(下層).

設(shè)計荷載為城市－A 級，由于該橋為進(jìn)出功能區(qū)的主要通道，建設(shè)期間的施工車輛及區(qū)內(nèi)企業(yè)大型設(shè)備的運(yùn)輸均需通過本橋，交通量大，重載車輛多，是本橋運(yùn)營期間的一個特點(diǎn)，因此驗算荷載定為特載420.

橋梁通車不到4 年，橋面鋪裝先后已進(jìn)行3 次更換維修.且?guī)状尉S修的周期間隔越來越短，第一次橋面大修在通車約2.5 年后，第一次大修后不到1 年即進(jìn)行第二次大修，第二次大修后不到3 個月即進(jìn)行第三次大修.鑒于此建設(shè)單位委托橋梁檢測單位進(jìn)行全橋詳細(xì)檢測.

1.1 橋梁檢測概況

根據(jù)檢測報告，橋梁表面破壞主要為橋面破壞、鋼箱梁涂層脫落銹蝕、伸縮縫損壞、泄水孔銹蝕堵塞、欄桿銹蝕等.

橋面破壞以縱裂和坑槽為主.幾道比較明顯的縱裂如下圖所示.坑槽也集中在橋面中心位置.

橋梁箱室內(nèi)部破損嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為箱室內(nèi)部積水、主要構(gòu)件銹蝕、焊縫開裂滋泥、頂板加勁肋斷裂、橫隔板斷裂等.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)

主梁結(jié)構(gòu)為分幅整體鋼箱梁，橋梁斜交角35度.鋼箱梁梁高1m，單幅橋頂寬18.5m，底寬18m，單箱四室結(jié)構(gòu)，腹板間距為4.2+4.8+4.8+4.2m.鋼箱梁構(gòu)造特點(diǎn)描述如下:

①頂、底板板厚20mm，邊腹板板厚25mm，中腹板板厚16mm.

②頂?shù)装蹇v向加勁肋型式相同，為高100mm、板厚12mm 的矩形鋼板，間距600mm 布置.

③橫隔板平行于支撐線布置，為框架式橫隔板;上、下隔板高200mm，板厚12mm，為矩形鋼板.

1.3 計算分析內(nèi)容及結(jié)構(gòu)材料

受建設(shè)單位委托，對本橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全檢算.計算分析內(nèi)容如下:

(1)采用平面桿系程序Midas 檢算結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度及剛度.

(2)利用Ansys 的板殼單元(shell63)進(jìn)行全橋空間計算，重點(diǎn)計算加勁肋、橫隔板等部位的應(yīng)力.

(3)參考日本道路橋示方書及《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)指南》驗算橋面系剛度.

(4)實體單元法計算局部段落的鋼箱梁，考慮橋面鋪裝的作用，進(jìn)行橋面鋪裝的驗算.

主橋材料選用Q345qd，橋面鋪裝采用瀝青混凝土，計算考慮材料處于線彈性階段，材料特性如下表:

表1 材料特性表

2 平面桿系單元法計算

應(yīng)用Midas 軟件建立橋梁模型.

圖1 平面桿系模型

圖2 特載420 加載圖示1

計算工況

(1)恒載

(2)城A 汽車荷載，單向四車道，橫向折減系數(shù)0.67，考慮1.15 的偏載系數(shù)，汽車橫向分布系數(shù)為3.082，未計入沖擊.

(3)全橋長度內(nèi)一輛特－420 平板掛車，前后無其他車輛荷載.不計沖擊.

(4)2 米人行道，人群荷載集度4.05kPa.

在GPX IV案中，美國巡回上訴法院支持了國際貿(mào)易法院在GPX IV中的判決，但是基于不同的立場。法院認(rèn)為反補(bǔ)貼法沒有授權(quán)商務(wù)部向中國采取反傾銷措施，原因是1988年和1994年修訂了反補(bǔ)貼法之后，國會認(rèn)可了在非市場經(jīng)濟(jì)背景下，政府報酬不屬于“補(bǔ)貼”[5](P745)。這與喬治城鋼鐵案中所提出的“經(jīng)濟(jì)激勵措施”或者“利益”是否構(gòu)成了“贈款”或者“撥款”有異曲同工之處。問題似乎又回到了原點(diǎn)。

(5)梯度溫度

2.1 鋼箱梁應(yīng)力驗算

計算結(jié)果如下表所示:

表2 結(jié)構(gòu)計算應(yīng)力(單位:MPa)

正(M應(yīng)Pa力)17 15 23 11 26 70 210剪(M應(yīng)Pa力)19 15 0 0 23 42 120換算32.9 26 23 11 39.8 73 210應(yīng)力

根據(jù)計算結(jié)果，鋼梁組合應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi).

圖3 特載420 加載圖示2

圖4 城A 偏載加載圖示

圖5 工況2 主梁變形

2.2 鋼箱梁剛度驗算

城市A 級荷載作用下，主梁豎向最大撓度5mm，特載420 豎向最大撓度8.4mm，均在規(guī)范容許范圍內(nèi).

表3 主梁豎向最大撓度

3 板殼單元法計算

計算采用Ansys.

空間板殼計算主要為檢算橫向受力，分以下四種工況進(jìn)行計算，未計入人群荷載、溫度荷載及汽車荷載的沖擊作用.

工況1 恒載

工況2 特載420 作用在橋梁結(jié)構(gòu)中線上

工況3 特載420 偏離結(jié)構(gòu)中心線1.45m

工況4 兩列城A 偏載

3.1 汽車荷載作用下鋼箱梁變形

分四種工況進(jìn)行計算，計算結(jié)果如下表

表4 主梁豎向最大撓度

腹板由左向右依次編號腹板1 ～腹板5，五條腹板位移值為1mm，4mm，21.2mm，4mm，1mm.汽車荷載作用下，每條腹板變形區(qū)別很大，翹曲效應(yīng)明顯.

3.2 橫隔板應(yīng)力驗算

橫隔板計算不利狀態(tài)主要為工況3 和工況4

表5 橫隔板計算應(yīng)力表

圖6 工況4 橫隔板應(yīng)力圖

圖7 工況4 縱向加勁肋應(yīng)力圖

根據(jù)計算結(jié)果，橫隔板應(yīng)力不滿足規(guī)范要求

3.3 頂板縱肋應(yīng)力驗算

表6 縱向加勁肋應(yīng)力表

根據(jù)計算結(jié)果，縱肋應(yīng)力不滿足規(guī)范要求.

4 橋面系剛度計算

依據(jù)日本道路橋示方書及《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)指南》，需驗算橋面系剛度.主要為板中心變形位移最大處曲率半徑、肋間相對撓度兩個指標(biāo):

表7 橋面系剛度要求

板中心變形位移最大處曲率半徑計算公式如下:

肋間曲率半徑r =11.5m ＜20m，不滿足指南要求.

肋間相對撓度計算公式如下:

當(dāng)縱向加勁肋間距為600mm 時，肋間相對撓度△=2mm，遠(yuǎn)大于指南要求的0.4mm.

綜上，本橋橋面系剛度明顯不足.

5 橋面鋪裝計算

假設(shè)橋面鋪裝與鋼箱梁頂板協(xié)調(diào)變形，取跨中段建立實體模型計算.計算程序采用Ansys，選用20 節(jié)點(diǎn)solid186 高階單元.

荷載工況取三個車輪荷載作用在箱室中間，不考慮縱向相鄰輪載的影響.輪載采用城A 規(guī)范的車輛荷載，單個輪載10t.輪胎著地范圍600×200mm.

一般鋼箱梁鋪裝層頂面橫向拉應(yīng)變?yōu)?00 ～160μm，本橋瀝青混凝土的計算拉應(yīng)變?yōu)?93μm，拉應(yīng)力1.2MPa，瀝青混凝土在這種高應(yīng)變情況下，疲勞性能很差，很快就會損壞.

6 結(jié) 論

根據(jù)橋梁檢測結(jié)果，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡分析，計算分析結(jié)果顯示與橋梁破壞形式基本吻合.分析主要結(jié)論如下:

(1)采用平面桿系方法計算，橋梁結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度滿足規(guī)范要求.

(2)根據(jù)空間板殼方法計算結(jié)果分析，橋梁橫向剛度不足、縱向加勁肋剛度偏弱.在特載420 平板掛車、城A 荷載偏載作用下，縱向加勁肋及橫隔板拉(壓)應(yīng)力均超出規(guī)范容許應(yīng)力范圍.與檢測結(jié)果基本一致，橫隔板、頂板加勁肋均出現(xiàn)不同程度的損壞.

(3)橋梁系剛度不滿足《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)指南》相關(guān)要求，肋間相對撓度和頂板彎曲曲率偏大，造成鋪裝受力較大，易發(fā)生損壞.

(4)鋼箱梁構(gòu)造不合理，主要表現(xiàn)在縱向加勁肋剛度太小，橫向間距偏大;橫隔板斜置，且高度偏小;橋面系剛度不足.

［1］ 重慶交通科研研究所.公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 小西一郎，鋼橋，第一分冊 朱立冬譯［M］.北京:人民鐵道出版杜，1980.

［3］ 顧興宇，鄧學(xué)鈞，等.車輛荷載下鋼箱梁瀝青混凝土鋪裝受力分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，(31)6.

［4］ 徐勛倩，黃衛(wèi).鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)近似計算新方法［J］.土木工程學(xué)報，2007，(40)4.

［5］ 錢振東，黃衛(wèi)，等，正交異性鋼橋面鋪裝層的力學(xué)特性分析［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2002，2(3)

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