大悬臂宽箱梁桥空间分析与病害原因浅析

张观树，张东波

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究，广西　南宁　530029)



大悬臂宽箱梁桥空间分析与病害原因浅析

张观树，张东波

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究，广西南宁530029)

文章选取某大悬臂宽箱梁桥边跨墩顶0#块为研究对象，建立了有限元模型对其进行空间受力分析，并与平面杆系模型分析结果进行了对比。分析表明：大悬臂宽箱梁正应力分布存在明显的剪力滞效应；由于腹板剪切变形和支座局部作用，大悬臂宽箱梁腹板主拉应力差异较大，设计中应予以重视；该桥箱梁正应力和剪应力满足规范要求，腹板主拉应力超限，是其病害主因之一。

大挑臂宽箱梁；空间分析；病害原因；有限元分析

0　引言

随着城市建设的突飞猛进，城市道路桥梁设计中日益重视美观舒适，同时由于交通功能需要，整幅宽箱梁桥在城市高架桥梁、单索面斜拉桥工程中应用广泛[1]。

桥梁的横向宽度较大，但桥墩位置却受道路规划限制导致支座间距较小，加上为减轻结构自重，箱梁配以较大悬臂，形成大悬臂箱形结构。由于宽箱梁的宽跨比大、腹板间距大、悬臂长等特点，大悬臂宽箱梁受力特征较常规箱梁结构显得更为复杂。采用常规初等梁理论计算箱梁应力，无法真实反映箱梁弯曲、扭转、畸变、

剪力滞等效应，导致设计上的缺陷，以致此类桥梁在使用中出现了一些问题[2-4]。鉴于此，本文以一座大跨独塔单索面斜拉桥为背景，采用实体有限元单元模型，对其边跨墩梁固结段箱梁进行空间受力分析，以期对其箱梁病害进行探析。

1　工程背景

某跨江大桥主桥全长1 280 m，主桥桥跨结构南北对称，分为两联独立受力，每一联亦为自身对称结构。主桥采用斜拉桥与连续梁桥协作体系，斜拉桥采用2×168 m独塔单索面结构，墩、塔、梁固，单联桥跨结构孔径组成为(72+80+168+168+80+72)m。主梁采用大挑臂单箱五室薄壁箱梁，桥面总宽为29.5 m，双向六车道，车道宽3.5 m，中央设有3.2 m宽中央分隔带，两侧各设2.0 m宽人行道，桥面铺装为一层厚为6 cm的30号混凝土，见图1。

图1　总体布置图

该桥主跨跨径大、工程体量大，结构体系复杂，受力情形也极为复杂，特别是墩顶和主梁相接的固结部位和拉索锚固区附近，属于典型的空间受力特征，采用平面杆系分析方法无法准确把握其复杂的受力状态。

该桥仅服役十余年，已经历二次大修，并限制大货车、半挂车通行。据检测单位报告显示，大桥80 m跨和168 m跨大范围内存在45°斜向受力裂缝和竖向裂缝、腹板竖向预应力钢束露筋、失效等病害。为彻底掌握大桥主梁顶底板、横隔板、尤其腹板位置的应力分布状态，确保结构安全，非常有必要对该位置进行详细的空间有限元分析，本文以大桥连续梁段NP4墩顶0#块为分析对象展开研究。

2　有限元模型建立

2.1计算模型

结构仿真分析采用大型通用有限元分析软件Ansys12.0进行。截选了NP4墩0#块典型节段，纵向长度选取46.0 m，横向取全宽，建立有限元分析模型，模型模拟的实际梁段如图2～3所示。由于结构在墩顶选取范围内结构和预应力钢束布置大致对称，建立1/4模型进行计算分析，分析采用solid45单元模拟混凝土，采用link8单元模拟预应力钢束，单元长度控制在0.1 m左右，最终模型共划分387 898个结点，392 504个单元，空间有限元模型如图4所示。

图2　计算梁段纵向分布图

图3　1/2主梁截面布置图

图4　空间有限元离散模型图

2.2荷载及材料参数

计算过程中选取结构正常使用极限状态最不利组合下特征截面(距墩顶L=23 m)处平面杆系模型的内力进行加载并与平面杆系模型计算结果进行对比。施加在空间分析模型中的荷载主要包括恒载、预应力、收缩徐变、活载等。分析过程中重点关注主梁腹板及横隔板位置的主拉应力与主梁顶底板位置的纵向应力，模型中采用Link8单元将主梁纵向预应力与竖向预应力按实际布置进行精确模拟。荷载作用如表1所示。

表1　空间模型梁端的荷载值表

注：该处轴力非常小，可以忽略。

分析模型采用的材料参数如表2所示，混凝土材料采用原设计“85规范”相应参数，纵向预应力钢束为φ15-9钢绞线，极限应力为1 860MPa，竖向预应力为φ32精轧螺纹钢筋，极限应力为830MPa，张拉控制力为50.3T。

表2　原设计“85规范”混凝土材料参数表

3　箱梁应力状态分析

本次研究对象为NP4墩0#块典型节段。对于连续梁0#块而言，比较关键的受力部位为腹板、横隔板和顶板，这里主要列出这些部位的变形和应力结果，文中应力单位为Pa，“+”号为拉应力，“-”号为压应力。

3.1整体正应力结果

图5为0#块的纵向正应力的分析结果。结果表明，在结构自重、预应力、收缩徐变以及可变荷载的综合作用下，模型的整体正应力范围都在-12～2.7MPa之间，拉应力出现在墩顶横隔板区域。

图5　0#块整体正应力等值线图(单位：Pa)

图6　顶板处纵向正应力等值线图(单位：Pa)

图7　底板处纵向正应力等值线图(单位：Pa)

图6、图7分别为顶底板正应力分布图，在结构自重、预应力、收缩徐变以及可变荷载的综合作用下，墩顶0#块基本处于受压状态。仅顶板中剖面在墩顶支座约束附近局部范围出现2MPa左右的拉应力。

同时，从顶板正应力分布图(见图6)可以看出，顶板正应力存在明显的不均匀分布，即在箱梁腹板位置存在剪力滞效应。

3.2整体剪应力分析

图8为0#块的整体竖向剪应力的分析结果。结果表明，在结构自重、预应力、收缩徐变以及可变荷载的综合作用下，模型的整体剪应力集中分布在箱梁腹板及横隔板位置，箱梁顶板、底板剪应力值极小。

图8　0#块整体剪应力云图(单位：Pa)

图9　中腹板剪应力等值线图(单位：Pa)

图10　边腹板剪应力等值线图(单位：Pa)

图11　斜腹板剪应力等值线图(单位：Pa)

图9～图11为腹板剪应力分布图，可见在结构自重、预应力、收缩徐变以及可变荷载的综合作用下，腹板区域基本处于剪压状态。斜腹板所示为YZ横截面内组合应力，应力最大值1.5 MPa左右。

3.3腹板主拉应力结果

图12～14给出了大桥连续梁段80 m跨墩顶0#块范围内各腹板的主拉应力结果，以主拉应力等值线图表示。

由图12～14可见，各腹板在结构自重、预应力、收缩徐变以及可变荷载的综合作用下均出现不同程度的主拉应力，其中边腹板应力值最大接近4.0 MPa，中腹板和斜腹板应力值相对较小，约2.6 MPa。

图12　中腹板处主拉应力等值线图(单位：Pa)

图13　边腹板处主拉应力等值线图(单位：Pa)

图14　斜腹板处主拉应力等值线图(单位：Pa)

腹板位置中腹板边腹板斜腹板空间分析值(MPa)2.63.762.15杆系分析值(MPa)2.12.12.1

将空间分析结果和平面杆系分析结果进行比较(如表3所示)可知：

(1)空间分析值与杆系模型分析值比较稳合，中腹板、边腹板处空间计算值较杆系计算值分别大0.4 MPa和1.7 MPa，说明二者分析基本一致。

(2)空间分析表明，由于大悬臂宽箱梁腹板剪切变形、支座局部作用导致腹板主拉应力差异性较大，与大悬臂宽箱梁理论较吻合，而这是常规平面杆系模型无法体现的。

3.4横隔板主拉应力结果

图15为模型横隔板内的主拉应力结果。结果表明，在考虑结构自重、预应力、收缩徐变以及可变荷载的综合作用下，横隔板内出现不到1.5 MPa的主拉应力，满足“85规范”要求。

图15　横隔板内主拉应力等值线图(单位：Pa)

4　结语

本文选取墩顶0#块为研究对象，建立了详细的空间有限元模型，考虑结构自重、预应力、收缩徐变等永久作用以及汽车、人群等可变作用，进行了精确的

空间分析，并与杆系分析结果进行了对比，可得到如下结论：

(1)在各种综合作用下，大悬臂宽箱梁正应力不均匀分布较明显，腹板位置存在明显的剪力滞效应。

(2)由于大悬臂宽箱梁腹板剪切变形、支座局部作用导致腹板主拉应力差异性较大，而常规平面杆系模型无法体现这一受力特征，在平时设计中应得到充分认识。

(3)箱梁正应力和剪应力均满足规范要求，仅荷载加载局部区域和墩顶支点对称约束处应力集中导致出现拉应力外，NP4墩0#块全部受压，腹板区域基本全处于剪压状态。

(4)墩顶附近20 m范围内，该桥三块腹板均出现不同程度的主拉应力，其中中腹板和斜腹板应力值相对较小，约2.6 MPa，边腹板处由于支座处剪力直接传递，应力值最大接近4.0 MPa，均已超出规范容许范围。分析结果与大桥裂缝分布情况基本一致，腹板主拉应力超限是是大桥病害的主因之一。

[1]徐海军，冷金荣.城市高架桥异形宽箱梁空间结构分析[J].结构工程师，2010，26(2)：70-75.

[2]王雷.现浇中小跨径连续单箱多室宽箱梁桥空间效应研究[D].北京：北京交通大学，2013.

[3]华波，朱朝阳，朱安静.大悬臂多腹板宽箱梁受力特性研究[J].交通科技，2012，251(2)：1-3.

[4]李立峰，邵旭东，等，变截面长悬臂宽箱梁桥翼缘有效宽度研究[J].重庆交通学院院报，2004，23(2)：1-5.

Spatial Analysis and Disease Cause Discussions of Large-cantilever Wide Box-girder Bridges

ZHANG Guan-shu，ZHANG Dong-bo

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

With the side-span pier top #0 block of a large-cantilever wide box-girder bridge as the study object，this article established the finite element model for its spatial stress analysis，and compared with the flat bar system model analysis results.The analysis showed that：the normal stress distribution of large-cantilever wide box-girder has the obvious shear lag effect；due to the impact of web shear de-formation and local bearing action，the principal web tensile stress of large-cantilever wide box-girder has bigger differences，which requires the special attention during the design；the normal stress and shear stress of box girder in this bridge can meet regulatory requirements，the over-limit principal ten-sile stress of web plate is one of main causes for its disease.

Large-cantilever wide box-girder；Spatial analysis；Diseases cause；Finite element analysis

U445.7+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.011

1673-4874(2016)05-0038-05

2016-04-27

张观树(1971—)，高级工程师，研究方向：道路桥梁设计；

张东波(1986—)，硕士，工程师，研究方向：道路桥梁设计。