某組合梁斜拉橋邊跨壓重段局部應(yīng)力分析

鄧世為

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

1 工程概況

本橋?yàn)槟稠?xiàng)目控制性工程， 主橋采用平行雙索面組合梁雙塔斜拉橋，跨徑組合為(135+300+135)m=570 m。 主梁采用鋼混組合梁，斜拉索采用扇形布置，索塔橫橋向呈H 型。 組合梁斜拉橋橋型布置如圖1 所示。

主梁體系由兩根I 形鋼主梁、鋼橫梁、小縱梁及導(dǎo)流板組成的鋼構(gòu)架， 與混凝土橋面板通過鋼梁頂板上的抗剪焊釘形成有效整體，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2 所示。在邊跨距梁端22.25 m 范圍空腔內(nèi)設(shè)置壓重， 壓重范圍內(nèi)鋼橫梁HL1～HL7 及斜拉索布置等如圖3 所示。

圖1 橋型布置圖

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

圖3 邊跨壓重段示意圖

2 有限元模型

2.1 模型選取

為避免邊界對局部應(yīng)力分析的影響， 根據(jù)圣維南原理，順橋向截取G、F 兩個(gè)節(jié)段共28.25 m 長，所取梁段布置有斜拉索B12～B9 所對應(yīng)的錨拉板。 由于結(jié)構(gòu)關(guān)于縱軸對稱，為節(jié)省計(jì)算資源僅建立1/2 模型后施加對稱邊界。

2.2 建模原則

混凝土橋面板和鋼橫梁均采用四面體單位模擬，共建立了110 萬個(gè)單元。 劃分網(wǎng)格時(shí)，構(gòu)件連接邊界及可能應(yīng)力集中的部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密細(xì)分。斜拉索通過錨拉板對鋼主梁提供彈性支撐，通過從成橋整體模型中提取其彈性剛度施加在錨拉板邊界上，右端邊界亦采取相應(yīng)設(shè)置。

從空間桿系模型的分析來看， 橋面板縱向預(yù)應(yīng)力參與組合后為砼橋面板提供壓應(yīng)力儲備， 與之相關(guān)的諸多因素有施工工法及順序、活載的影響線加載等，在實(shí)體分析模型中暫不予考慮。

2.3 邊界條件

(1) 橫橋向中心由于對稱性， 約束對稱面的DX、RY和RZ。

(2)工字鋼主梁支座底僅約束豎向平動(dòng)DZ。

(3)斜拉索的彈性剛度通過在錨拉板邊界予以實(shí)現(xiàn)。

(4)右端也為彈性約束，和右端內(nèi)力相結(jié)合分步驟實(shí)現(xiàn)。

2.4 荷載

(1)恒載：自重通過在模型中自動(dòng)考慮；防撞護(hù)欄、瀝青鋪裝、導(dǎo)流板等二期恒載通過面荷載施加在對應(yīng)位置；壓重混凝土通過面荷載施加在鋼橫梁底板。

(2) 汽車活載： 橫向布置4 列汽車-超20， 其中兩個(gè)140 kN 的軸重對稱布置在橫梁HL3 上[1]。

(3)右端邊界實(shí)際為彈性約束，右端內(nèi)力和彈性剛度通過分步驟施加來實(shí)現(xiàn)等效模擬。

3 有限元分析結(jié)果

以下有限元分析結(jié)果所對應(yīng)的坐標(biāo)系為：DX-橫橋向，DY-順橋向，DZ-豎向。 邊跨壓重段的鋼邊主梁、鋼橫梁HL1～HL7 及混凝土橋面板是主要傳力構(gòu)件，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注，以下是其主要分析結(jié)果(圖4)。

圖4 邊跨壓重段有限元模型

3.1 混凝土橋面板

鋼混組合梁在橫截面內(nèi)由鋼和混凝土兩種材料組成，是不同材料在截面內(nèi)的組合[2]。 用混凝土橋面板代替正交異性鋼橋面板有諸多優(yōu)點(diǎn)，但混凝土抗拉強(qiáng)度低，應(yīng)確保其拉應(yīng)力控制在較低的水平，如圖5～9 所示；同時(shí)為避免混凝土壓碎使其脆性破壞， 應(yīng)合理控制其壓應(yīng)力水平，如圖10 所示。

圖5 橋面板順橋向正應(yīng)力圖(從頂面看)

圖6 橋面板順橋向正應(yīng)力圖(從底面看)

圖7 橋面板順橋向正應(yīng)力圖(大于1.96MPa)

圖8 橋面板橫橋向正應(yīng)力圖(從頂面看)

圖9 橋面板主拉應(yīng)力圖(大于2.85MPa)

圖10 橋面板主壓應(yīng)力圖

從分析結(jié)果來看，在橫梁HL4(汽車重軸所在的橫梁HL3 與之相鄰) 對應(yīng)位置的橋面板上緣出現(xiàn)1.45 MPa 的順向拉應(yīng)力，在橫梁HL3(汽車重軸所在位置)對應(yīng)位置的橋面板下緣出現(xiàn)3.1 MPa 的順橋向拉應(yīng)力。 橫橋向正應(yīng)力大部分小于2.0 MPa， 在錨拉板周邊局部區(qū)域出現(xiàn)5.9 MPa 的拉應(yīng)力。

如圖7、圖9 所示，對應(yīng)力云圖進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，順橋向正應(yīng)力超過1.96 MPa 和主拉應(yīng)力超過2.85 MPa 的范圍均很小。

主壓應(yīng)力最大為17.4 MPa， 分布在與邊主梁鄰近的橋面板底緣。 主拉應(yīng)力大于2.85 MPa(軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)[3]的局部區(qū)域主要集中在錨拉板的周邊，在重軸作用位置的鋼橫梁和梁端(橫向中心)也出現(xiàn)了較大主拉應(yīng)力。

3.2 鋼橫梁

組成鋼混組合梁的鋼結(jié)構(gòu)采用Q370qC，屈服強(qiáng)度大于300 MPa，根據(jù)規(guī)范要求采取合理的加勁措施后，鋼材料具有較高的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。 鋼結(jié)構(gòu)在各向應(yīng)力組合后的等效應(yīng)力應(yīng)控制在合理的水平， 使其大部分范圍處于較平均的彈性應(yīng)力狀態(tài)。

本文分析的組合梁斜拉橋邊跨壓重段鋼結(jié)構(gòu)主要由鋼橫梁HL1～HL7 和鋼邊主梁組成，分析各鋼構(gòu)件的應(yīng)力水平可為設(shè)計(jì)提供依據(jù)， 其等效應(yīng)力情況分別如圖11、13～17 所示。 本橋橫斷面采用雙邊主梁，并在橫向用鋼橫梁連接后與混凝土橋面板組成整體， 應(yīng)確保鋼橫梁具有足夠的剛度，在重軸作用下鋼橫梁HL3 的豎向撓度如圖12 所示。

以下為鋼橫梁HL1～HL7 的等效應(yīng)力分析結(jié)果及鋼橫梁HL3 的豎向撓度分析結(jié)果：

(1)重軸處鋼橫梁HL3 等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)和豎向撓度

在邊跨端部的鋼橫梁HL3 中心對稱布置4 列雙軸140 kN 的重軸荷載， 該鋼橫梁的等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)云圖和撓度如圖11～12 所示。

圖11 重軸處鋼橫梁HL3 等效應(yīng)力云圖

圖12 重軸處鋼橫梁HL3 豎向撓度(mm)

重軸處鋼橫梁HL3 的等效應(yīng)力大部分在140 MPa以下， 最大值179 MPa 出現(xiàn)在鋼橫梁與邊主梁連接的下端；重軸處鋼橫梁HL3 最大豎向撓度18.3 mm 出現(xiàn)橫橋向中心。

(2)鋼橫梁HL2～3 等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)

如圖13 所示， 鋼橫梁HL2～3 的等效應(yīng)力大部分在180 MPa 以下，僅在底面加勁肋附近有小范圍應(yīng)力集中，但均小于屈服強(qiáng)度。

圖13 鋼橫梁HL2～3 等效應(yīng)力云圖

(3)鋼橫梁HL4 等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)

如圖14 所示， 鋼橫梁HL4 的等效應(yīng)力大部分在150 MPa 以下， 最大值304 MPa 出現(xiàn)在鋼橫梁與壓重縱梁連接的側(cè)下端。

圖14 鋼橫梁HL4 等效應(yīng)力云圖

(4)鋼橫梁HL5 等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)

如圖15 所示， 鋼橫梁HL5 的等效應(yīng)力最大值221 MPa 出現(xiàn)在鋼橫梁與邊主梁連接的橫梁腹板下端。

圖15 鋼橫梁HL5 等效應(yīng)力云圖

(5)鋼橫梁HL6 等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)

如圖16 所示， 鋼橫梁HL6 的等效應(yīng)力最大值195 MPa 出現(xiàn)在鋼橫梁HL6 與鋼橫梁HL7 連接的側(cè)下方。

圖16 鋼橫梁HL6 等效應(yīng)力云圖

(6)鋼橫梁HL7 等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)

如圖17 所示， 鋼橫梁HL7 的等效應(yīng)力大部分在150 MPa 以下， 最大值283 MPa 出現(xiàn)在與邊主梁連接的橫梁腹板下端。

圖17 鋼橫梁HL7 等效應(yīng)力云圖

3.3 邊主梁

邊主梁也采用Q370qC， 具有較高的抗拉和抗壓強(qiáng)度， 應(yīng)使其在荷載作用下各向應(yīng)力及等效應(yīng)力控制在合理的水平， 并應(yīng)避免支座加勁肋應(yīng)力過大而導(dǎo)致的壓屈破壞。

(1)G 梁段等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)

如圖18 所示， 邊主梁G 梁段應(yīng)力在該工況下的等效應(yīng)力最大值為143 MPa。

圖18 邊主梁G 梁段等效應(yīng)力云圖

(2)G 梁段支座加勁肋等效應(yīng)力(von mises 應(yīng)力)

如圖19 所示， 支座加勁肋等效應(yīng)力最大值為102 MPa，邊主梁及加勁肋的應(yīng)力狀態(tài)良好。

圖19 邊主梁G 梁段支座加勁肋等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文以某組合梁斜拉橋?yàn)槔?利用有限元軟件對其邊跨壓重梁段進(jìn)行三維空間應(yīng)力分析，得出了以下結(jié)論：

(1)混凝土橋面板主拉應(yīng)力大部分小于軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85 MPa[3]，在錨拉板周邊局部區(qū)域出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。錨拉板周邊的應(yīng)力集中，可通過普鋼加以強(qiáng)化或采取主動(dòng)放松的構(gòu)造措施。

(2)鋼結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力大部分在200 MPa 以下，均小于材料的屈服應(yīng)力370 MPa， 可知組合梁的鋼結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。

(3)采用汽車-超20 加載時(shí)，重軸處鋼橫梁HL3 的最大豎向撓度18.3 mm 出現(xiàn)在橫橋向中心， 設(shè)計(jì)時(shí)將橫梁高度從兩側(cè)逐漸向跨中加高進(jìn)行預(yù)拱。

(4)邊主梁、支座加勁肋及其他非重軸處的鋼橫梁應(yīng)力水平均不高，局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但均小于屈服強(qiáng)度。

綜上， 可知該組合梁斜拉橋邊跨壓重段在荷載作用下整體上處于較平均的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)傳力明確可靠，受力合理，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。