鴨綠江界河公路大橋主橋鋼箱梁的力學(xué)行為研究

王曉峰

(太原市市政公用工程質(zhì)量安全站(太原市軌道交通建設(shè)服務(wù)中心)，山西 太原 030021)

1 概述

本文以鴨綠江界河公路大橋?yàn)槔?，該橋總長為1 266 m，主跨為636 m，主橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，連續(xù)半漂浮體系[1]。主橋中跨主梁采用整體式正交各項(xiàng)異性鋼箱梁，邊跨主梁采用鋼箱結(jié)合梁，主梁輪廓總高度為3.5 m，輪廓總寬度為33.5 m；斜拉索為扇形布置，采用7 mm高強(qiáng)度鋅鋁合金鍍層平行鋼絲，主梁上的標(biāo)準(zhǔn)索距16.0 m，全橋共4×19對(duì)斜拉索；橋塔采用無下橫梁H形混凝土塔，高194.6 m，基礎(chǔ)采用啞鈴形整體基礎(chǔ)[2-4]?；A(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，輔助墩及過渡墩采用箱型墩，橋跨分別為(86+229+636+229+86)m(18號(hào)～23號(hào)橋墩)，如圖1所示。項(xiàng)目滿足雙向通航398 m，橋梁設(shè)計(jì)荷載采用公路-Ⅰ級(jí)，按雙向八車道高速公路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，主橋通航等級(jí)為Ⅰ-(1)級(jí)航道，主橋采用50年10%和50年2%兩種超越概率地震動(dòng)進(jìn)行抗震設(shè)防。

2 主橋中跨主梁和邊跨主梁設(shè)計(jì)

主橋中跨主梁采用整體鋼箱梁結(jié)構(gòu)，選用的材料為Q345低合金鋼，其屈服強(qiáng)度為345 MPa。中跨主梁的整體高度為4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為15 m，整體寬度為48 m，在中跨主梁的縱向方向設(shè)置4道腹板，中腹板之間的間距為18.25 m，在外側(cè)重車道采用實(shí)腹式隔板，在中間輕車道采用桁架式隔板，主橋中跨主梁橫斷面示意圖如圖2所示。頂板厚度分別在重車道和輕車道區(qū)域?yàn)?0 mm和15 mm，底板的整體厚度為10 mm[5]。在頂板和底板處均增加U形肋板來保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，主橋中跨主梁的U形肋板如圖3所示。

主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預(yù)制混凝土板相結(jié)合結(jié)構(gòu)，其中，在墩頂區(qū)域，邊跨主梁選用材料為Q370低合金鋼，其屈服強(qiáng)度為370 MPa。在其他區(qū)域，邊跨主梁選用材料為Q345低合金鋼，其屈服強(qiáng)度為345 MPa。鋼箱梁與預(yù)制混凝土板通過濕接縫與剪力釘固定，邊跨主梁的整體高度為4.49 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為12 m，整體寬度為48 m。在邊跨主梁的縱向方向設(shè)置4道腹板，中腹板之間的間距為18.25 m，在外側(cè)重車道采用實(shí)腹式隔板，在中間輕車道采用桁架式隔板。頂板上部通過設(shè)計(jì)縱橫交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)來預(yù)設(shè)預(yù)制混凝土板，預(yù)制混凝土板的厚度為37 mm。同樣地，在底板處增加U形肋板來保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，底板的整體厚度為10 mm。主橋邊跨主梁橫斷面示意圖如圖4所示。

3 主橋鋼箱梁的力學(xué)分析

3.1 輔助墩對(duì)主橋鋼箱梁的影響

通過采用數(shù)值分析軟件建立全橋的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)主橋鋼箱梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。首先通過設(shè)計(jì)輔助墩的位置來確定主橋鋼箱梁的位移和彎矩。通過對(duì)比設(shè)置的A位置(第11根拉索固定點(diǎn)處)、B位置(第13根拉索固定點(diǎn)處)和C位置(第15根拉索固定點(diǎn)處)三種輔助墩的位置來分析輔助墩的位置分布對(duì)主橋位移和彎矩的影響。主橋塔頂水平位移隨A,B,C三種輔助墩的位置的變化情況如圖5(a)所示。結(jié)果表明，輔助墩的設(shè)計(jì)明顯降低主塔塔頂?shù)乃轿灰?，設(shè)置輔助墩的主塔塔頂水平位移是不設(shè)置輔助墩的20%～50%。并且得出A位置處的位置最小，因此設(shè)置輔助墩的位置越靠近塔根部位位移越小，結(jié)構(gòu)越安全。此外，設(shè)置輔助墩可以降低塔的根部彎矩，如圖5(b)所示，設(shè)置輔助墩的主塔塔頂彎矩是不設(shè)置輔助墩的30%～40%。

3.2 主橋鋼箱梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

主橋鋼箱梁在集中載荷作用下的跨中撓度為1 240 mm，其撓跨比為1/765，小于規(guī)范規(guī)定的1/400的要求，說明主橋鋼箱梁具有較好的豎向剛度。計(jì)算結(jié)果表明：主橋中跨鋼箱梁上部的最大壓應(yīng)力為126 MPa，鋼箱梁下部的最大壓應(yīng)力為172 MPa。主橋邊跨鋼箱梁上部最大壓應(yīng)力為180 MPa，最大拉應(yīng)力為175 MPa，鋼箱梁下部的最大壓應(yīng)力為200 MPa，最大拉應(yīng)力為90 MPa。主橋邊跨預(yù)制混凝土板最大壓應(yīng)力為17.5 MPa；輔助墩上部區(qū)域預(yù)制混凝土板拉應(yīng)力為20.1 MPa。結(jié)合材料的材料參數(shù)，所有強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果都小于材料的許用屈服應(yīng)力，滿足規(guī)范和施工要求[6]。

此外，主橋邊跨主梁除承受軸向拉壓外，在輔助墩處還承受較大的剪力和彎矩。為了研究主橋邊跨主梁腹板剪力變化規(guī)律，建立全橋有限元模型，對(duì)邊跨主梁腹板進(jìn)行受力分析，主梁的上下板件采用板殼單元模擬。圖6給出了主橋邊跨主梁中腹板和邊腹板處的剪力值。由圖6可以得出：在集中載荷作用下，輔助墩處中腹板剪力變化劇烈，其剪力值遠(yuǎn)大于邊腹板，因此，主梁輔助墩處的剪力大部分由中腹板承擔(dān)。由輔助墩2到橋塔區(qū)間內(nèi)，邊腹板和中腹板的剪力差逐漸縮小，在橋塔根部處，邊腹板和中腹板的剪力差最小。

3.3 主橋鋼箱梁縱向應(yīng)力分析

主橋鋼箱梁由于在輔助墩處承受較大的剪力和彎矩，因此鋼箱梁翼緣處的壓應(yīng)力會(huì)隨著肋板間距的變化而變化。根據(jù)前人的研究，鋼箱梁翼緣在寬度方向受到的彎曲應(yīng)力呈現(xiàn)出不均勻分布的現(xiàn)象，即剪力滯效應(yīng)[7-8]。主橋鋼箱梁除了受彎曲應(yīng)力外，其還受到斜拉索的拉力分量-軸向力，而軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力相疊加會(huì)使翼緣處的應(yīng)力更加不均勻。因此，主橋鋼箱梁翼緣處的縱向應(yīng)力的剪力滯效應(yīng)是由彎曲應(yīng)力、軸向應(yīng)力和斜拉索拉力共同引起的[9-10]。理論上，剪力滯效應(yīng)可由剪力滯系數(shù)來表征，主橋鋼箱梁縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)可表示為:

(1)

其中，σf為主橋鋼箱梁受到的縱向應(yīng)力極值;σm為主橋鋼箱梁受到的平均應(yīng)力值。

通過有限元計(jì)算可以得到主橋鋼箱梁中跨和邊跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)，如圖7所示。由圖7(a)可知，主橋鋼箱梁在均布載荷作用下中跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)小于邊跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)。中跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)分布在α=1.0～1.5區(qū)間內(nèi)，靠近跨中部位鋼箱梁下部和上部的剪力滯系數(shù)分別為α=1.44和α=1.46，并且整體上中跨的下部的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于上部。由圖7(b)可知，主橋鋼箱梁在均布載荷作用下邊跨在邊墩、輔助墩和橋塔處的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于別的位置。邊跨預(yù)制混凝土板下部的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于上部。對(duì)于主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預(yù)制混凝土板相結(jié)合結(jié)構(gòu)，其縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)高于預(yù)制混凝土板，且最大值達(dá)到α=1.95。

4 結(jié)論

本文基于鴨綠江界河公路大橋工程實(shí)例，通過對(duì)主橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)的受力分析，并通過有限元計(jì)算，得出了以下結(jié)論：

1)輔助墩的設(shè)計(jì)明顯降低主塔塔頂?shù)乃轿灰?，設(shè)置輔助墩的主塔塔頂水平位移是不設(shè)置輔助墩的20%～50%。設(shè)置輔助墩的主塔塔頂彎矩是不設(shè)置輔助墩的30%～40%。

2)主橋整體和局部的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果都小于材料的許用屈服應(yīng)力，滿足規(guī)范和施工要求。輔助墩處中腹板的剪力值遠(yuǎn)大于邊腹板，主梁輔助墩處的剪力大部分由中腹板承擔(dān)。由輔助墩2到橋塔區(qū)間內(nèi)，邊腹板和中腹板的剪力差逐漸縮小，在橋塔根部處，邊腹板和中腹板的剪力差最小。

3)主橋鋼箱梁由于在輔助墩處承受較大的剪力和彎矩，因此鋼箱梁翼緣處的壓應(yīng)力會(huì)隨著肋板間距的變化而變化。主橋鋼箱梁在均布載荷作用下中跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)小于邊跨縱向應(yīng)力的剪力滯系數(shù)。邊跨預(yù)制混凝土板下部的縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)優(yōu)于上部。對(duì)于主橋邊跨主梁采用鋼箱梁與預(yù)制混凝土板相結(jié)合結(jié)構(gòu)，其縱向應(yīng)力剪力滯系數(shù)高于預(yù)制混凝土板。