南泉立交主線橋預(yù)制鋼箱梁設(shè)計(jì)與分析

王憲明 譚真 劉磊 蒲魏軍 付抗 王鴻儒 吳博文

摘要 渝黔復(fù)線高速南泉立交主線鋼箱梁跨徑大、橋面寬、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高。為驗(yàn)算橋梁安全性，保證交通運(yùn)輸安全，文章通過有限元建模分析，對(duì)主梁開展受力及變形計(jì)算研究。結(jié)果表明：承載力極限狀態(tài)下，箱梁支座及跨中為內(nèi)力的最大值位置，其最大拉壓應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，鋼箱梁最大撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)受力、變形安全可靠，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞 鋼箱梁；數(shù)值模擬；大跨度；結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

中圖分類號(hào) U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0153-03

0 引言

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的發(fā)展，鋼箱橋在公路橋梁的應(yīng)用逐漸增多，其在交通工程中的地位日益凸顯[1-2]，而鋼箱連續(xù)梁橋因全橋剛度大、整體性好、溫度徐變小等突出優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用[3]。我國(guó)鋼箱梁橋的應(yīng)用相對(duì)較晚，但其發(fā)展勢(shì)頭迅猛，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼箱梁橋開展了較為系統(tǒng)的科學(xué)研究，并取得了豐碩的研究成果和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。

由于梁體是由薄壁鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相比混凝土橋梁較差，若不能保證足夠的剛度將會(huì)造成局部屈曲或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[6]。該文以渝黔復(fù)線項(xiàng)目南泉立交主線2號(hào)橋?yàn)楣こ萄芯繉?duì)象，開展橋梁的數(shù)值模擬研究，分析主梁的受力特征，對(duì)鋼箱梁的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

渝黔復(fù)線高速公路連接道工程為成渝高速擴(kuò)能東段，全長(zhǎng)約10.7 km，屬于城市快速路。南泉立交為項(xiàng)目三大互通立交之一，其中主線2號(hào)橋共11跨，第一、第二跨徑分別為40 m、45 m，采用鋼箱梁的形式；其余跨徑較小，采用預(yù)應(yīng)力混凝土的形式。鋼箱梁梁高為2.1 m，橋?qū)挒?2.3 m，橋面兩端不固結(jié)。橋梁立面布置圖、橫斷面布置圖分別見圖1～2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 荷載取值及材料力學(xué)參數(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、橫隔板、路面鋪裝層、防撞護(hù)欄等，可變荷載包括汽車荷載效應(yīng)、整體溫度荷載、梯度溫度等。

鋼材為Q345qD鋼，其彈性模量E為2.1×105 MPa；剪切模量G為0.81×105 MPa；抗拉、抗壓及抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270 MPa；抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為155 MPa。

2.2 有限元模型建立

采用橋梁專用的有限元軟件，建立鋼箱梁的有限元模型。上部結(jié)構(gòu)為“40 m+45 m”連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梁高為2.1 m，采用四箱單室箱形截面；橋梁寬度22.327～24.186 m，采用三維梁?jiǎn)卧⒘焊衲Ｐ汀?/p>

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

通過有限元模型分析可以得到鋼箱梁的受力狀態(tài)，現(xiàn)對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵階段的受力狀態(tài)進(jìn)行靜力分析。如圖3～5所示分別為主梁恒載內(nèi)力圖、主梁活載內(nèi)力圖和基本組合內(nèi)力包絡(luò)圖。由圖可知，主梁最大正彎矩為19 210 kN·m，位于45 m跨間距的中間位置；主梁最大負(fù)彎矩為22 413 kN·m，位于中間支座位置；主梁最大剪應(yīng)力為4 046 kN，位于中間支座位置。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算

如圖6～8所示分別為主梁在恒荷載、活荷載、組合荷載工況下的應(yīng)力圖。恒載作用下，單梁計(jì)算截面最大壓應(yīng)力為82.8 MPa，最大拉應(yīng)力為70.5 MPa；活載作用下，單梁計(jì)算截面最大壓應(yīng)力為51.1 MPa，最大拉應(yīng)力為63.2 MPa；組合荷載作用下，單梁計(jì)算截面最大壓應(yīng)力為111.2 MPa，最大拉應(yīng)力為95 MPa。Q345鋼的正應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270 MPa，主梁強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

根據(jù)已有的相關(guān)計(jì)算研究表明，曲線鋼箱梁在考慮箱梁約束扭轉(zhuǎn)畸變應(yīng)力、薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)三個(gè)基本體系應(yīng)力疊加的影響后，其截面應(yīng)力較按三維梁?jiǎn)卧Ｐ偷挠?jì)算應(yīng)力提高20%～30%。該次計(jì)算綜合考慮箱梁曲率半徑、橋面橫坡、橋梁寬跨比等各種因素，可按三維梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算應(yīng)力增大50%，以考慮畸變應(yīng)力、薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)以及正交異性橋面板二三體系應(yīng)力與第一體系應(yīng)力疊加的影響。該次三維梁?jiǎn)卧?jì)算模型的截面最大正應(yīng)力為111.2 MPa，考慮增大系數(shù)后為166.8 MPa，小于Q345鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 撓度驗(yàn)算

汽車組合作用下主梁的最大撓度為24.4 mm，撓度跨度比為24.4/45 000=1/1 844，遠(yuǎn)小于規(guī)范容許的撓度跨度比1/500，故主梁剛度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

（1）鋼箱梁的內(nèi)力最大位置位于中間支座和45 m寬間距的中間部位。

（2）鋼箱梁的最大拉/壓應(yīng)力為115 MPa，遠(yuǎn)小于Q345鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)受力安全可靠。

（3）鋼箱梁最大撓度為24.4 mm，撓度跨度比為1/1 844，小于規(guī)范1/500的設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)變形安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]馬保林. 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M]. 北京：人民交通出版社， 2001.

[2]張喜娥， 郭長(zhǎng)青， 王曉鋒， 等. 鋼-混凝土組合梁的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 國(guó)外建材科技， 2006（4）： 69-71.

[3]李勇， 查曉雄， 李敏， 等. 大跨度鋼桁腹PC組合剛構(gòu)橋新結(jié)構(gòu)[J]. 中外公路， 2014（5）： 123-125.

[4]聶建國(guó)， 余志武. 鋼-混凝土組合梁在我國(guó)的研究及應(yīng)用[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 1999（2）： 3-7.

[5]張東嶺， 余術(shù)剛， 張劍， 等. 某市政鋼桁架橋吊裝施工工藝及施工穩(wěn)定性驗(yàn)算[J]. 公路工程， 2019（2）： 126-130.

[6]李鷗， 黃向東， 袁建新， 等. 秀山大橋主橋鋼箱梁施工過程計(jì)算分析[J]. 橋梁建設(shè)， 2019（1）： 107-112.