不對(duì)稱截面大懸臂節(jié)段箱梁合理構(gòu)造形式研究

陳剛 邵吉林 陳德望

摘要 大懸臂箱梁由于其自重輕、方便施工等優(yōu)點(diǎn)在城市橋梁建設(shè)中逐漸廣泛應(yīng)用，但由于缺少理論分析方法，該結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中產(chǎn)生不同程度的病害，尤其受地形、地物限制截面采用不對(duì)稱形式時(shí)，在汽車偏載作用下梁體易出現(xiàn)裂縫。為了獲取不對(duì)稱截面大懸臂節(jié)段箱梁的合理構(gòu)造形式，基于某高速公路高架橋上部結(jié)構(gòu)，采用Midas Fea3.7有限元程序進(jìn)行實(shí)體仿真分析。根據(jù)仿真分析結(jié)果，得到不對(duì)稱截面大懸臂節(jié)段箱梁翼緣板長短邊合理比例，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 大懸臂箱梁；不對(duì)稱截面；仿真分析

中圖分類號(hào) U441文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0047-03

0 引言

近年來，由于城市交通量不斷增大，以及對(duì)城市土地集約利用和橋梁景觀的要求越來越高，大懸臂混凝土箱梁以其自重輕、方便施工等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于城市大跨徑高架橋建設(shè)中，該結(jié)構(gòu)在降低對(duì)下部基礎(chǔ)受力要求的同時(shí)，減少項(xiàng)目用地，顯著節(jié)約工程造價(jià)。

現(xiàn)有規(guī)范中提供的懸臂板受力計(jì)算方法具有一定局限性，僅規(guī)定了適用于懸臂長度小于2.5 m 的懸臂板計(jì)算，但針對(duì)懸臂長度大于2.5 m的懸臂板，尚未有詳細(xì)說明。箱梁翼緣板長度過長可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在運(yùn)營初期產(chǎn)生裂縫，使結(jié)構(gòu)的正常使用性能受到嚴(yán)重影響[1]，尤其在受地形和建筑物限制時(shí)，采用不對(duì)稱截面時(shí)箱梁的結(jié)構(gòu)受力更顯復(fù)雜[2-3]，因此獲取不對(duì)稱截面大懸臂節(jié)段箱梁的合理構(gòu)造形式，有利于提高該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用安全性。

1 工程背景

某雙向六車道城市高架橋上部結(jié)構(gòu)采用40 m節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁，采用C55混凝土。受城市道路地形限制，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用左右懸臂不對(duì)稱箱型截面梁。

節(jié)段預(yù)制箱梁主梁全寬16.25 m，梁高2.5 m。外側(cè)翼緣懸臂長度5.4 m，翼緣根部厚0.6 m；內(nèi)側(cè)翼緣懸臂長3.05 m，翼緣根部厚0.5 m，底板寬6.1 m。根據(jù)梁段劃分位置，外側(cè)翼緣縱橋向每2 m設(shè)置一道加勁肋。節(jié)段箱梁斷面如圖1所示。

2 有限元模型建立

2.1 模型參數(shù)

箱梁采用C55混凝土。頂板縱向鋼筋采用16鋼筋，布置間距15 cm；橫向頂層采用22鋼筋，底層采用16鋼筋，布置間距15 cm。鋼筋凈保護(hù)層外側(cè)為4 cm，內(nèi)側(cè)為3 cm。頂板橫向設(shè)置15-3預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束為直線束，距頂面10 cm，縱向間距為50 cm，4 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁設(shè)置8束鋼絞線；鋼絞線錨下張拉控制應(yīng)力1 395 MPa。

2.2 計(jì)算荷載

有限元主要施加荷載如下：

（1）恒載：一期恒載按結(jié)構(gòu)自重加載。

（2）溫度：取結(jié)構(gòu)整體升降溫20 ℃。

（3）溫度梯度：根據(jù)監(jiān)測單位提供數(shù)據(jù)，實(shí)測箱梁頂板上、下緣最大溫差為9 ℃。

（4）橫向預(yù)應(yīng)力：考慮張拉100%預(yù)應(yīng)力。設(shè)計(jì)單端張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，在該張拉力下，經(jīng)框架單梁模型計(jì)算，考慮錨具變形、摩阻力等損失后，每道橫向預(yù)應(yīng)力鋼束永存張拉力為533 kN。

（5）橋面鋪裝荷載：2.4 kN/m。

（6）汽車荷載：根據(jù)橋面布置取3車道，依據(jù)規(guī)范取車輪荷載為140 kN。

2.3 模型建立

采用Midas Fea3.7有限元程序進(jìn)行節(jié)段箱梁的仿真分析，混凝土采用實(shí)體單元，鋼筋和橫向預(yù)應(yīng)力采用鋼筋桁架單元[4-5]。采用4 m長標(biāo)準(zhǔn)梁節(jié)段（腹板厚度 45 cm）進(jìn)行施工階段分析時(shí)，共設(shè)52 126個(gè)節(jié)點(diǎn)、44 277個(gè)單元。有限元計(jì)算模型如圖2所示。

2.4 計(jì)算工況

該次有限元計(jì)算取某高速公路高架橋節(jié)段預(yù)制箱梁進(jìn)行分析，固定箱梁翼緣板長邊長度為5.4 m，對(duì)翼緣板短邊長度進(jìn)行變化，共設(shè)置8個(gè)工況。各工況中翼緣板短邊長度分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.4 m。

圖2 有限元計(jì)算模型

3 不對(duì)稱大懸臂箱型截面翼緣板寬度合理比值分析

為獲取不對(duì)稱截面大懸臂節(jié)段箱梁的合理構(gòu)造形式，通過有限元分析計(jì)算得到不同荷載作用下，節(jié)段箱梁在不同翼緣板寬度比值條件下的位移及應(yīng)力變化情況。由于篇幅限制，僅列出工況1條件下節(jié)段箱梁在自重作用下的應(yīng)力及豎向位移云圖，如圖3～5所示。

通過有限元計(jì)算，不同工況下節(jié)段箱梁翼緣板長邊豎向位移結(jié)果見表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到，在汽車作用和標(biāo)準(zhǔn)組合作用下節(jié)段箱梁翼緣板長邊端部豎向位移隨翼緣板寬度比值變化不大。而從節(jié)段箱梁在重力作用下翼緣板長邊端部豎向位移變化可以看出，當(dāng)節(jié)段箱梁翼緣板寬度比值大于0.65時(shí)，翼緣板長邊端部豎向位移減小，且變化幅度逐漸穩(wěn)定。

同時(shí)通過有限元計(jì)算，可以得出不同工況下箱梁腹板間頂板最大彎矩值。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，與翼緣板長邊端部豎向位移隨翼緣板寬度比值變化情況相同，在汽車作用和基本組合下節(jié)段箱梁腹板間頂板最大彎矩隨翼緣板寬度比值變化不大。從應(yīng)力云圖和計(jì)算結(jié)果中可以看出，在自重作用下節(jié)段箱梁頂板最大彎矩出現(xiàn)在箱梁變截面處的頂、腹板交界位置，最大彎矩值隨比例的增大而減小，且變化幅度逐漸減小。

最后根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，得出不同工況下節(jié)段箱梁腹板間頂板最大拉應(yīng)力結(jié)果，見表4。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，節(jié)段箱梁腹板間頂板最大拉應(yīng)力受翼緣板寬度比值變化的影響較為顯著。在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，節(jié)段箱梁頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在接近箱梁變截面處的頂、腹板交界位置，最大拉應(yīng)力值隨懸臂長度比例的增大逐漸減小，且隨著比例的增大變化幅度減小，節(jié)段箱梁受力情況更加均勻。

4 結(jié)論

該文采用Midas Fea3.7有限元軟件對(duì)不同截面尺寸節(jié)段箱梁進(jìn)行實(shí)體仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）不同截面尺寸的不對(duì)稱截面大懸臂節(jié)段箱梁在荷載作用下箱梁懸臂位移、內(nèi)力和應(yīng)力變化情況較為明顯，尤其在汽車偏載作用下，結(jié)構(gòu)受力分布更為復(fù)雜。

（2）通過分析節(jié)段箱梁懸臂位移、內(nèi)力和應(yīng)力隨翼緣板寬度比值變化，得出不對(duì)稱大懸臂箱型截面翼緣板寬度比例應(yīng)控制在0.6～1.0之間，且比例越趨近于1時(shí)，不對(duì)稱節(jié)段箱梁結(jié)構(gòu)受力更均勻，安全性更高。

（3）通過不對(duì)稱截面大懸臂節(jié)段箱梁有限元分析，節(jié)段箱梁變截面處的頂、腹板交界位置應(yīng)力差值較大，故建議日常巡查過程中應(yīng)對(duì)懸臂根部及頂、腹板交界位置進(jìn)行重點(diǎn)檢查，如出現(xiàn)裂縫應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施。

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