双箱单室曲线钢箱梁横向内力分布计算方法研究

2019-04-28于长晧安永日

公路交通技术 2019年2期

于长晧，李永，汪宏，安永日

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

受地形条件和已有构筑物影响，有些跨线桥梁不得不采用曲线梁。当桥面较宽时，根据安装和运输需求，断面形式采用多箱单室较合理。但这种结构形式的受力特性与常规结构有区别：1) 曲线桥在内外两侧梁将产生内力差[1-2]，并且外侧比内侧大；2) 外侧支反力比内侧大，并随半径减小差值越明显[3]；3) 曲线桥的质心在支座连线外侧[4]，自重和活载均产生弯曲重分布。

对曲线桥梁，童树根[5]提出了单轴对称的工字形曲梁合力关系式与任意开口薄壁圆弧曲梁的线性分析；黄剑源[6]提出了直线梁和曲线梁的薄壁截面杆系理论；段海娟等[7]也研究了开口薄壁曲线梁的几何非线性问题；基于VIasov微分方程，夏淦[8]提出了变曲率曲梁的分析方法；倪元增[9]针对截面周边可变形的大曲率薄壁箱梁给出了理论分析的方法。

对梁格体系的理论计算方法有刚性横梁法和修正后的刚性横梁法，计算分析方法有空间薄壁箱梁单元模型法和空间梁格模型法等。但如每座桥都采用详细计算分析耗时耗力，效率低。因此，在本研究中以双箱单室曲线钢箱梁为研究对象，提出了曲线桥梁的横向内力分布系数计算方法，以期能够简化计算，提高效率。

1 钢箱梁构造

主梁为2×61 m连续钢箱梁，曲率半径分别为68 m、92 m、184 m，车道布置为双向4车道，桥宽16.8 m，梁高2.5 m，断面为双箱单室。具体结构尺寸如下：顶板厚18 mm、底板厚16 mm、腹板厚度13 mm、箱室之间的顶板加劲肋厚26 mm、箱室两侧面的顶板加劲肋厚26 mm、悬臂端顶板加劲肋厚16 mm，翼缘端处顶板加劲肋厚12 mm、腹板加劲肋厚16 mm、底板加劲肋厚30 mm、横隔板厚16 mm、支座处横隔板厚20 mm、横隔板加劲支撑板厚16 mm、支座处垫板厚30 mm，横隔板间距4.8 m，横肋间距1.6 m。桥梁的具体布置如图1和图2所示，横截面形式如图3所示。

单位：mm

图2 桥梁平面布置

单位：mm

全桥钢箱梁主体结构采用Q345钢，弹性模量取2.06×105MPa，剪切模量取8.1×105MPa，泊松比取0.3，热膨胀系数取1.2×10-5℃，材料密度取7.8×103kg/m3。

中间支点处2个支座中的一个设置为固结，另一个约束顺桥向和竖向位移。端支点处外侧支座只约束竖向位移，内侧支座约束桥梁横向位移和竖向位移，对各个方向的转动不进行约束。边界条件如图4所示。

图4 支座布置示意Fig.4 Schematic layout of the support

2 理论计算方法

曲线梁桥存在偏心效应，可以当做施加外部偏心扭矩的直线桥。这种受力模式近似于横向分布系数[10]计算中采用的受力模式，曲线桥的偏心效应中也可采用同样方法。假设主梁每延米重量为常数，重心位置如图5所示，计算方法如式(1)：

(1)

式中：e为重量偏心距离，m；m为每延米重量，kg/m；r为转弯半径，m；β为0.5倍夹角，rad；a为圆心至支座连线垂直距离，m；M为总重，kg。

图5 弯桥自带偏心距计算示意Fig.5 Eccentricity calculation schematic of the curved bridge

假设每钢箱截面相同，其内力分布系数计算公式如下：

(2)

式中：Ri为内力分布系数；n为钢箱编号；di为钢箱中心到截面中心距离，m。

如双箱单室曲线钢箱梁把各箱当成一片梁，自重作用下内外箱室的内力分布系数如图6所示。车辆荷载作用下[11]，内外箱室的内力分布系数如图7所示。

3 有限元计算模型

板单元计算建模采用Ansys 2017版计算软件，全部采用Shell181板单元[12]。全桥共计297 654个节点和314 399个单元，板单元计算模型如图8所示。钢箱自重通过软件自动加载到整个钢箱梁上，车辆荷载在Midas/Civil梁单元计算模型中找出最不利位置，将车轮的集中荷载换算成均布荷载加载到板单元模型中相应的位置。车轮与桥面的接触面是矩形，在铺装层中呈45°角扩散[11]。在底板支座处建立一个刚域，将支座节点与刚域连接，并且对支座刚域进行如图8所示的约束。