55 m钢箱简支梁上部结构分析及研究
2014-03-23□□
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(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)
引言
最近几年，太原市步入城市立体交通建设的高峰期，大量的桥梁得以建设并通车，虽然与北、上、广、深等一线城市相比太原市大规模的高架桥建设起步较晚，但两年内已建成通车十余座桥梁，大大缓解了城市交通拥堵的状况。在目前已建成的桥梁中，有很大一部分采用的是钢结构。钢箱梁桥具有施工方便、病害少、对桥下被交路的交通影响小等优点，所用钢材也往往因工厂批量化制造的优势而具有竞争力，因而广泛应用于城市桥梁和高速公路的建设。本文通过对55 m钢箱形简支梁上部结构进行受力分析与验算，以期为今后钢箱梁的设计与施工提供参考。
1 设计资料
1.1 技术标准
(1)荷载等级：城市-A级。
(2)桥梁宽度：0.5 m(护栏)+2.5 m(人行道)+5.0 m(非机动车道)+12.0 m(机动车道)+1.5 m(中央分隔带)+12.0 m(机动车道)+5.0 m(非机动车道)+2.5 m(人行道)+0.5 m(护栏)=41.5 m，分左右两幅设计，两幅桥面间距50 cm。
(3)桥梁设计安全等级：城市主干道，结构重要性系数γo=1.1。
(4)桥面铺装：4 cm细粒式密级配SBS改性沥青混凝土AC-13C，6 cm中粒式密级配沥青混凝土AC-20C，1 mm防水层，6 cm钢纤维防水混凝土。
(5)交角：正交90°。
(6)环境类别：本工程桥梁结构总体按Ⅱ类环境设计。
(7)地震烈度：地震峰值加速度为0.1g，特征周期值0.2 s，桥梁按Ⅶ度设防。
(8)设计安全等级：一级。
1.2 主梁细部尺寸
图1为主梁横断面一般构造图。其细部尺寸如下：
由于紫色很罕见，所以在很长一段时间内，它都是皇室和贵族独享的颜色，就像在古代中国，黄颜色象征着皇权一样。
图1 主梁横断面一般构造图
(1)单箱5室：顶板宽20.5 m，底板宽16.0 m。
(2)梁高：2.5 m。
(3)钢梁顶板厚：25 mm。
(4)钢梁腹板厚：20 mm。
(5)钢梁底板厚：25 mm。
(6)纵向设置U型加劲肋，厚8 mm。
(8)钢箱梁标准梁段每3 m设置1道横隔板，横隔板厚10 mm、12 mm；钢箱梁标准梁段每3 m设置1道横向加劲肋，并与横隔板交错布置，间距1.5 m，横向加劲肋厚10 mm，有永久竖向支座处的横隔板厚度为32 mm。
1.3 主要材料
钢梁材质为Q345qD，其性能应符合GB/T 714—2008《桥梁用结构钢》的要求。剪切模量G=7.9×104MPa，抗弯弹性模量E=2.06×105MPa，弯曲容许应力[σw]=210 MPa，剪切容许应力[τ]=120 MPa，线膨胀系数k=0.000 012。
1.4 计算荷载
(1)自重：考虑钢梁顶底板、腹板、横隔板、加劲肋、铺装、护栏。
(2)强迫位移：基础间不均匀沉降按1 cm计。
(3)温度：JTJ 025—86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》未对温度荷载进行说明，故计算时按英国规范BS5400考虑不均匀升降温，设计基准温度规定为20 ℃，寒冷地区最高和最低有效温度标准值为46 ℃和-21 ℃，按升温、降温分别为26 ℃、41 ℃考虑结构整体升降温。
(4)汽车荷载：城市-A级，冲击系数按规范取用。
(5)人群荷载：3.5 kN/m。
2 计算模型的建立
2.1 桥梁计算模型
根据结构计算模型、几何特性、边界条件等必须与实际结构相一致，结构计算模型必须能反映结构分阶段形成的特点，以及正确反映各重要工况下的结构特性及荷载状况的原则，利用MIDAS Civil2012软件建立了全桥有限元模型，将该大桥划分为45个节点、40个单元(见图1)，根据实际施工步骤确定计算工况。结构离散图如图2所示，标准横断面图如图3所示。
图2 结构离散图
图3 标准横断面图
2.2 施工阶段划分
结构分析施工阶段按表1划分。
表1 施工阶段划分
3 结构计算及分析
单孔55 m的简支钢箱梁计算运用Midas软件进行整体受力计算。分别对构件在承载能力极限状态下进行强度验算(破坏、倾覆验算)，在正常使用极限状态下进行刚度验算(裂缝、挠度验算)，计算结果需满足设计规范的各项规定。
3.1 承载能力极限状态主梁体系验算
正截面抗弯承载力验算主要是对桥梁在承载能力极限状态下的正截面抗弯进行验算，即在活载和恒载的共同作用下产生的应力是否超过结构所能提供的最大抗力，如果超过，就会造成结构的永久性破坏。图4为钢箱梁使用阶段弯矩包络图，图5为钢箱梁使用阶段剪力包络图。
图4 钢箱梁使用阶段弯矩包络图
图5 钢箱梁使用阶段剪力包络图
从以上验算图可以看出，该桥梁设计满足桥涵设计规范要求。
在承载能力极限状态下，钢箱梁顶板及底板主梁体系下的应力极值为：顶板最大拉应力58.2 MPa，最大压应力84.4 MPa；底板最大拉应力102.7 MPa，最大剪应力36.8 MPa，均小于Q345钢材的弯曲容许应力及剪应力(Q345相当于JTJ 025—86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》中的16Mn钢，查该规范的表1.2.5得钢材的弯曲容许应力为210 MPa，容许剪应力为120 MPa)，强度满足设计要求。
3.2 正常使用极限状态主梁体系挠度验算
恒载作用下的位移图见图6，活载作用下的位移图见图7。
图6 恒载作用下的位移图
图7 活载作用下的位移图
如图6和图7所示，正常使用极限状态下恒载作用下产生的竖向位移为74 mm，活载作用下产生的竖向位移为19 mm。
简支钢箱梁由活载引起的竖向位移19 mm，而L/600=91.7(mm)，故满足JTJ 025—86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》的要求。根据桥涵规范，预拱度曲线应与恒载和一半活荷载产生的挠度曲线基本相同，而方向相反，故跨中最大预拱度为：f=fp+1/2(fk)=74+10=84(mm)。
3.3 稳定性计算
3.3.1 钢箱梁顶底板局部稳定性
钢箱梁桥的整体刚度比顶底板的刚度大得多，对顶底板的局部稳定分析，可以近似简化为由箱梁腹板和横隔板围成的四边简支加劲板。其顶底板平面布置图如图8所示。
图8 钢箱梁顶底板平面布置图
(1)
3.3.2 钢箱梁腹板局部稳定性
钢箱梁的腹板高度b=2 450 mm，腹板板宽t=20 mm，横向加劲肋的距离a=1 500 mm。由整体计算可得承载能力极限状态下腹板弯曲压应力较大值σ1=102.7 MPa，腹板弯曲压应力较小值σ2=-84.4 MPa，平均剪应力τ=(0+36.8)/2=18.4(MPa)。
按照新修订的《中国公路钢桥规范(征求意见稿)》，对钢箱梁腹板局部稳定性进行验算：
(2)
由计算结果可知，腹板局部稳定性满足规范要求。
4 结语
我国现行的JTJ 025—86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》至今已实施将近30年。30年来，我国钢桥的设计和施工技术得到了前所未有的快速发展，但该规范所采用的允许应力法理论计算较为笼统，不能充分反映不同荷载的统计特性，较多地依赖经验，已无法满足目前钢桥的设计、施工与养护的需求。
近些年，很多设计院对钢箱梁进行了较为深入的研究，并结合混凝土和钢材的优点发展出了钢混组合梁体系。相对于传统的钢筋混凝土桥梁，钢桥具有施工周期短、对环境污染小、桥梁病害少、梁体自重小等诸多优点，是目前城市立交设计中较为合理的一种结构，也是未来城市桥梁重点发展的方向。
参考文献：
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[5] JTJ 025—86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].北京：人民交通出版社，1986.
