大跨度空腹式鋼-混凝土混合連續(xù)梁橋鋼箱梁長度參數(shù)分析

林 濤

(福州市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展有限公司， 福建 福州 350004)

鋼混凝土混合連續(xù)梁在中孔大跨全部或部分采用鋼主梁，兩側(cè)采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，充分發(fā)揮了混凝土材料的壓重作用和鋼材跨越能力大的優(yōu)勢，自重輕，施工快，節(jié)省材料[1-3]。該橋型發(fā)展僅有幾十年，實際工程應(yīng)用也偏少，存在著一些設(shè)計和施工中需予以研究和解決的新問題，如鋼箱梁長度的合理選擇是該橋型往大跨度方向發(fā)展時結(jié)構(gòu)受力與經(jīng)濟性能平衡的難點之一[4-6]。

現(xiàn)假定240 m主跨為等截面梁且兩端固結(jié)，將240 m梁等分為三等份，通過簡單結(jié)構(gòu)受力計算可得，當在主跨跨中1/3部分采用重量約為等效混凝土梁30%的鋼箱梁時可減少兩固結(jié)支點處約1/3的負彎矩，在如此大跨徑的連續(xù)梁橋上減小端部負彎矩是極其有利的。所以當跨中的鋼箱梁段長度越長則支點處產(chǎn)生的負彎矩越小，但鋼箱梁的造價遠高于混凝土梁，因而在減小主梁關(guān)鍵截面所受彎矩的同時縮短鋼箱梁的長度，就能估算出主跨鋼箱梁段的最佳長度[7-9]。

本文以福州馬尾大橋為背景工程，針對大跨度空腹式鋼-混凝土混合變截面連續(xù)梁橋的橋型新穎、設(shè)計與構(gòu)造復雜、跨度大等特點[10-11]，利用橋梁專用軟件MIDAS/Civil進行數(shù)值模擬分析，以主跨鋼箱梁長度為變化參數(shù)，探討恒、活載比例分配以及恒、活載作用下主梁受力性能及變化規(guī)律，提出受力合理且相對經(jīng)濟的鋼箱梁長度建議。

1 工程概況

馬尾大橋跨江段主橋分左右幅，采用雙向八車道，橋面寬度42.5 m，設(shè)計荷載等級為城市-A級，抗震設(shè)防烈度等級為Ⅶ度。馬尾大橋主橋橋型布置如圖1所示，主跨采用240 m空腹式鋼-混凝土混合變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，其余各跨均采用變截面連續(xù)混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，主橋橋跨布置為795 m。

圖1馬尾大橋主橋橋型布置及標準橫斷面圖(單位：cm)

主跨鋼箱梁理論區(qū)段長(至結(jié)合面處)為96 m，鋼箱梁分三段，分別為：左側(cè)鋼混結(jié)合段5.5 m(鋼箱梁段3.0 m)，整體吊裝鋼箱梁段90 m，右側(cè)鋼混結(jié)合段5.5 m(鋼箱梁段3.0 m)，截面形式為單箱雙室，變截面箱梁高度按3.8次拋物線變化，由主墩支點處梁高20 m變化至跨中3.8 m，而鋼箱梁高度則由4.203 m變化至跨中3.8 m。混凝土主梁采用C55混凝土，鋼箱梁選用Q370qD鋼材。

2 有限元模型

2.1 主要參數(shù)的確定

為分析主跨混合梁長度比例對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響，以主跨鋼-混凝土混合梁中鋼箱梁段長度為主要參數(shù)進行參數(shù)分析。參數(shù)范圍主要依據(jù)主跨鋼箱梁段長度96 m(左、右側(cè)鋼混結(jié)合段處預(yù)拼鋼箱梁長度各3 m，整體吊裝鋼箱梁段長度90 m)為基準，并結(jié)合國內(nèi)外同類型橋梁混合梁長度比例為參考來確定，考慮整體鋼箱梁長度取為主跨(240 m)的0.2～0.5之間變化，按56 m、66 m、76 m、86 m、96 m、106 m、116 m、126 m這一系列不同的鋼箱梁長度參數(shù)進行變化[12]，其他參數(shù)均相同。由此來建立相對應(yīng)的有限元模型探討大跨度空腹式鋼-混凝土混合連續(xù)梁橋主跨混合梁長度比例參數(shù)規(guī)律。

2.2 有限元模型

結(jié)合現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范[13-14]，以桿系理論為基礎(chǔ)，采用橋梁專用軟件MIDAS/Civil建立全橋空間桿系有限元模型，對橋梁上部結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)進行受力分析。全橋共采用587個節(jié)點和494個梁單元，比較真實的模擬了主橋各梁段的截面形狀，如截面變化復雜的梁段：主V結(jié)構(gòu)、次邊V結(jié)構(gòu)、邊V結(jié)構(gòu)以及相對應(yīng)的上弦梁截面等；其中主橋混凝土箱梁橫隔板、齒塊和鋼箱梁橫隔板不考慮其剛度，通過計算其重量按集中荷載進行模擬。建模過程中材料與實際結(jié)構(gòu)一致，為C55混凝土(彈模35.5 GPa，泊松比0.2，質(zhì)量密度2 549 kg/m3)和Q370qD(彈模2.06×105MPa，泊松比0.3，質(zhì)量密度7 850 kg/m3，屈服強度370 MPa，抗拉強度510 MPa)，物理參數(shù)均按照對應(yīng)規(guī)范設(shè)定。

邊界條件的設(shè)置中V形結(jié)構(gòu)與主梁交匯處及主梁立柱連接均采用剛性連接模擬；主梁頂部中心節(jié)點和主梁立柱用剛性連接模擬；主梁立柱底部節(jié)點和支座頂部節(jié)點用剛性連接模擬；永久支座依據(jù)支座規(guī)格對應(yīng)設(shè)置豎向、橫橋向、縱橋向(SDx、SDy、SDz)剛度進行彈性支撐模擬，依據(jù)設(shè)計圖選定的支座類型計算的支座反力即可得出彈性支撐的豎向剛度，然后依據(jù)該支座的橫縱向剛度與豎向剛度比例關(guān)系(10%)來進行橫、縱橋向剛度設(shè)置；支座底部用一般支承固結(jié)，即約束該點的六個方向的自由度(三個方向平動及三個方向的轉(zhuǎn)動)。

計算荷載主要包括梁自重、二期鋪裝、汽車和人群荷載等。其中混凝土箱梁和鋼箱梁容重分別取25 kN/m3和82.42 kN/m3，鋼箱梁考慮制作偏差和焊縫重量，增大計算系數(shù)1.04；考慮橋面瀝青混凝土鋪裝、人行道、防撞欄桿以及橋面其它附屬設(shè)施，按單幅102.6 kN/m計算；汽車荷載采用城市—A級，單幅橋汽車按四車道計算，偏載系數(shù)取為1.15，橫向折減系數(shù)取為0.67，縱向折減系數(shù)取為0.97，人行道和非機動車道均按照人群加載，加載值按照《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》[15](CJJ 11—2011)選取，汽車沖擊系數(shù)μ按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[13](JTG D60—2015)第4.3.2條進行計算得到μ0=0.05。

3 隨鋼箱梁長度變化規(guī)律分析與討論

3.1 恒載彎矩隨鋼箱梁長度變化規(guī)律

通過有限元計算分析得到主梁恒載彎矩隨鋼箱梁長度變化情況如圖2所示。由圖2可知，鋼箱梁長度的變化對主梁與主V結(jié)構(gòu)交界截面1、2和主跨跨中截面3的彎矩產(chǎn)生較大影響。

圖2主橋主梁恒載作用下彎矩圖

圖3和圖4分別列出了截面1、2和截面3所受彎矩隨鋼箱梁長度變化情況。

從圖3可以看出，隨著鋼箱梁長度的增大，截面1、截面2所受的負彎矩均逐漸減??；鋼箱梁長度由56 m增加到96 m時，截面1和截面2的彎矩減小幅度逐漸增大，其分別對應(yīng)減小8.8%、8.6%、9.3%、12.4%和8.1%、7.7%、8.3%、10.6%；鋼箱梁長度由96 m繼續(xù)增加到126 m時，其減小幅度相對減緩；當鋼箱梁長度為96 m時對稱截面1、截面2所受彎矩基本相等，受力對稱。

圖3恒載作用下截面1和截面2彎矩圖

圖4恒載作用下截面3彎矩圖

從圖4可以看出，隨著鋼箱梁長度的增大，截面3所受彎矩呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；鋼箱梁長度由56 m增長到96 m時，截面3的彎矩減小幅度分別為17.5%、13.8%、11.5%、10.8%；鋼箱梁長度由96 m增長到116 m時，截面3的彎矩減小幅度僅為2.4%、1.0%；鋼箱梁長度由116 m增長到126 m時，截面3所受彎矩增長2.5%。

綜上所述，鋼箱梁長度增加有利于減小截面1和截面2負彎矩，鋼箱梁長度為96 m是截面1和截面2對稱受力的重要分界點；對于截面3，鋼箱梁長度由56 m增加至96 m時受力顯著減小，然而進一步增加鋼箱梁長度，截面受力基本不再減小，當超過116 m截面受力反而增大。因此，由恒載作用下截面1、截面2、截面3所受彎矩隨鋼箱梁長度變化規(guī)律可得到，鋼箱梁長度為96 m時主梁截面受力較為合理。

3.2 活載彎矩隨鋼箱梁長度變化規(guī)律

通過有限元計算分析得到主梁活載彎矩隨鋼箱梁長度變化情況如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，活載作用下主跨鋼箱梁長度的變化對主梁所受負彎矩影響相對較小，而對主梁與主V結(jié)構(gòu)交界截面2和主跨跨中截面3所受正彎矩產(chǎn)生較大影響。

圖5 左半幅主橋主梁活載作用下正彎矩圖

圖6左半幅主橋主梁活載作用下負彎矩圖

圖7列出了隨鋼箱梁長度變化截面2和截面3所受正彎矩變化情況。從圖7可以看出，隨著鋼箱梁長度的增長，截面2所受彎矩逐漸減小，平均減小幅度約為10.9%；截面3所受彎矩在鋼箱梁長度由56 m增長至96 m時保持在±3%左右的波動，超過96 m以后則以約5%的幅度穩(wěn)定增長。因此在盡量減小截面2和截面3所受彎矩的同時縮短鋼箱梁長度情況下得出鋼箱梁長度約為96 m比較合適。

圖7活載作用下截面2和截面3彎矩圖

3.3 恒載與活載比例隨鋼箱梁長度變化規(guī)律

由第3.1、3.2節(jié)恒載和活載對主梁關(guān)鍵截面內(nèi)力影響分析結(jié)果，選取主梁與主V結(jié)構(gòu)交界截面2以及主跨跨中截面3作為控制性截面進行主跨不同鋼箱梁長度下恒載與活載比例關(guān)系討論，截面示意如圖8所示。

圖8主橋主跨關(guān)鍵受力截面

圖9和表1列出了截面2和截面3所受彎矩隨鋼箱梁長度變化情況?？梢钥闯?，截面2、截面3恒載與活載的比例關(guān)系均隨著主跨鋼箱梁長度的增長而逐漸減小，但增長幅度均逐漸減小。截面2所受恒載與活載的比例范圍約為0.93∶0.07～0.88∶0.12，當鋼箱梁長度由56 m增長至96 m時恒載與活載比例降低了26.9%，由96 m增長至126 m時恒載與活載比例降低了17.8%；截面3恒載與活載比例變化范圍約為0.88∶0.12～0.79∶0.21，當鋼箱梁長度由56 m增長至96 m時恒載與活載比例降低了42.2%，由96 m增長至126 m時恒載與活載比例僅降低14.3%。

圖9 恒載與活載比例關(guān)系變化趨勢

由此可說明，當鋼箱梁長度超過96 m時關(guān)鍵受力截面的恒載與活載比例減小幅度明顯放緩，綜合考慮恒載與活載比例變化規(guī)律和縮短鋼箱梁長度的經(jīng)濟性可得出：針對主跨240 m的鋼-混凝土混合梁，鋼箱梁長度取96 m為最佳選擇。

4 結(jié) 語

(1) 在恒荷載或活荷載作用下，鋼箱梁長度增加均有利于減小主V結(jié)構(gòu)與主梁交界處截面所受彎矩。在恒載作用下，鋼箱梁長度由56 m增加至96 m時主跨跨中截面受力顯著減小，但進一步增加鋼箱梁長度，主跨跨中截面受力基本不再減小甚至會出現(xiàn)增大的趨勢。在活荷載作用下，鋼箱梁長度由56 m增長至96 m時，主跨跨中截面彎矩變化率約3%，但超過96 m以后則彎矩變化率約5%。

(2) 主V結(jié)構(gòu)與主梁交界處截面和主跨跨中截面恒載與活載的比例關(guān)系均隨著主跨鋼箱梁長度的增長而逐漸減小，但增長幅度均逐漸減小。當鋼箱梁長度超過96 m時關(guān)鍵受力截面的恒載與活載比例逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) 綜合考慮鋼箱梁長度變化對主梁受力特性的影響規(guī)律以及對工程造價的影響，對于主跨240 m的鋼-混凝土混合梁，鋼箱梁長度取96 m是最佳選擇。