基于MIDAS分析不同交通荷載作用下鋼橋面橋面系最不利狀態(tài)截斷面研究

聶 文

(廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣東 廣州 510000)

0 緒 論

鋼橋面鋪裝體系由正交異性鋼橋面系和鋪裝層組成。由于鋼橋面鋪裝層直接鋪設(shè)在正交異性板上，而正交異性鋼橋面板柔度大，在移動車輛荷載的影響下，鋼橋受力復(fù)雜，受力比一般的帶基層路面鋪裝復(fù)雜。早期對鋼橋鋪裝的研究主要集中在鋪裝材料特性方面，對鋼橋結(jié)構(gòu)的正交異性對鋪裝層受力性能的影響缺乏深入研究。近年來，逐漸關(guān)注正交異性鋼橋面系結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對鋪裝層受力性能的重要影響，在研究鋪裝層時，綜合橋面系統(tǒng)、鋪裝層材料以及鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計為一體，逐漸為學(xué)術(shù)界和工程界重視。鋼橋面鋪裝層由于受到加勁肋的加勁支撐作用，在車輛荷載作用下，負彎矩較容易出現(xiàn)在橋梁橋面系的加勁肋、橫肋(橫隔板)和橋面系的縱隔板的頂部位置的瀝青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)中，在負彎矩下橋面系鋪裝層的最大拉應(yīng)變通常都會表現(xiàn)在橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的表面位置，如果出現(xiàn)橋面鋪裝層采用的鋪裝材料的極限抗拉強度表現(xiàn)的不足的情況，橋面鋪裝層表面的拉應(yīng)變會導(dǎo)致橋面鋪裝層材料發(fā)生破壞，在鋪裝表面會出現(xiàn)裂縫。因此，在進行鋪裝層的計算分析時就必須將鋪裝層與鋼橋面板結(jié)合起來考慮。

1 分析方法

本課題研究以虎門二橋為背景，利用Midas分析不同交通荷載作用下橋面系最不利狀態(tài)截段，為虎門二橋鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系設(shè)計提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)建模及計算參數(shù)

作為珠三角的地標建筑和重要通道，虎門二橋的建設(shè)質(zhì)量對粵港澳灣區(qū)經(jīng)濟、政治和社會影響具有重要的意義，目前我國鋼橋面鋪裝技術(shù)整體上處于探索和發(fā)展階段，鑒于虎門二橋的交通量和地理位置的重要性，采用現(xiàn)有技術(shù)實施虎門二橋存在一定的風(fēng)險。為提高虎門二橋鋼橋面鋪裝的可靠性和耐久性，根據(jù)虎門二橋?qū)嶋H施工過程及未來運營的實際情況，在荷載變化和外部環(huán)境作用下，進行虎門二橋橋面的力學(xué)分析。通過關(guān)鍵問題的研究成果，為虎門二橋?qū)嶋H施工過程提供更為可靠的依據(jù)和措施，保證橋面質(zhì)量。

虎門二橋過江通道工程包括兩座大跨徑懸索橋，分別是：坭洲水道橋的雙塔雙跨懸索橋跨徑布置為658+1 688+522 m(鋼箱梁長度為548+1 688 m)、大沙水道橋雙塔單跨懸索橋跨徑布置為360+1 200+480 m(鋼箱梁長度為1 200 m)，如圖1所示，標準橫斷面圖見圖2。

圖1 橋型布置

圖2 虎門二橋標準橫斷面圖

3 坭州水道橋雙塔雙跨懸索橋計算結(jié)果分析

懸索橋為纜索支撐橋梁，其結(jié)構(gòu)體系可分為四種主要構(gòu)件：(1)具有橋面的加勁梁；(2)支撐加勁梁的纜索體系；(3)支撐纜索體系的索塔；(4)豎向和水平支撐纜索體系的錨碇。

懸索橋結(jié)構(gòu)為多次超靜定，高度非線性結(jié)構(gòu)，分析計算非常復(fù)雜，一般要借助計算機進行分析。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般把懸索橋簡化為空間桿系結(jié)構(gòu)進行橋梁結(jié)構(gòu)整體性計算，基本可以滿足工程設(shè)計需要，這樣處理結(jié)構(gòu)模型較簡單，便于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及提高計算效率。瀝青混凝土彈性模量約為水泥混凝土的1/20，而且橋面鋪裝層一般較薄(約為50～80 mm)，而一般混凝土橋面板厚度在200 mm以上，在橋梁整體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，不計入鋪裝層結(jié)構(gòu)剛度。根據(jù)坭洲水道橋設(shè)計圖紙，利用Midas建立模型如圖3所示，其中吊桿與主纜采用只受拉結(jié)構(gòu)單元，加勁梁、主塔以及主塔橫梁采用梁單元，吊桿與主纜內(nèi)部基于大位移與小位移的初始內(nèi)力利用Midas懸索橋建模助手內(nèi)部計算程序計算獲得，全模型節(jié)點共895個，單元共896個(其中只受拉單元698個，普通梁單元198個)，固定支承8個，剛性連接173個。主纜、吊桿、加勁梁以及塔墩材料參數(shù)如表1所示。坭州懸索橋吊索編號如圖4所示。

表1 模型材料參數(shù)

圖3 坭州懸索橋有限元模型

圖4 坭州懸索橋吊索編號

按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，采用雙向8車道布置汽車—超20級車隊，汽車荷載的橫向布置如圖5所示，縱向布置如圖6所示。計算該工況下橋梁的受力狀態(tài)，分析橋面板的軸向應(yīng)變。

圖5 對稱荷載橫向布置圖

圖6 對稱荷載縱向布置圖

圖7 位移變形包絡(luò)圖

由圖3～圖5位移變形包絡(luò)圖可以看出，位移形變最大的點位于主橋39號索下，39號索附近的37、38、39、40以及41號索下的關(guān)鍵截面位移如表2所示。39號索附近的37、38、39、40以及41號索下節(jié)點的內(nèi)力和應(yīng)力情況如表3所示。由表可知，撓曲線的主跨跨中最大值撓度為471.791 cm。

表2 關(guān)鍵截面位移

圖8 彎矩包絡(luò)圖

圖9 扭矩包絡(luò)圖

圖10 軸力包絡(luò)圖

圖11 剪力包絡(luò)圖

車道荷載作用下的內(nèi)力分布和變形如圖2-圖8～2-11，關(guān)鍵截面內(nèi)力如表3所示。分析沿順橋方向的平面彎矩、扭矩、軸力及剪力分布情況，如圖2-8～2-11可知，在車隊荷載作用下，彎矩、軸力及剪力峰值出現(xiàn)在橋塔根部的橋面板處，而扭矩沿順橋方向分布均勻，這表明了坭州懸索橋在偏載車隊荷載下橋塔根部處的橋面板為最不利位置。

表3 關(guān)鍵截面內(nèi)力

4 結(jié) 語

基于虎門二橋鋼橋結(jié)構(gòu)形式，利用Midas分析不同交通荷載作用下橋面系最不利狀態(tài)截段，得到以下結(jié)論。

(1)由位移變形包絡(luò)圖可以看出，位移形變最大的點位于主橋39號索下，39號索附近的37、38、39、40以及41號索下節(jié)點的撓曲線的主跨跨中最大值撓度為471.791 cm。

(2)在車隊荷載作用下，彎矩、軸力及剪力峰值出現(xiàn)在橋塔根部的橋面板處，而扭矩沿順橋方向分布均勻，這表明了坭州懸索橋的在偏載車隊荷載下橋塔根部處的橋面板為最不利位置。