大宽跨比的正交异性钢箱梁力学行为分析
2020-11-21潘慧杰
李 冰 潘慧杰
1中电建路桥集团有限公司（100048） 2郑州理工职业学院（450000）
0 前言
正交异性钢桥面板以其自重轻、极限承载能力大、工厂化程度高、施工周期短、结构造型美观等优点，广泛应用于公路桥梁和铁路桥梁，它的应用代表着一个国家钢桥设计和制造水平[1]。正交异性钢桥面板容易发生最大应力引起应力集中和疲劳裂缝，而结构在反复的轮压作用下的局部受力是引起疲劳裂缝的最主要原因，疲劳裂缝已经成为钢桥设计中的世界性难题。
文章以人文路贾鲁河桥为例，利用有限元软件Midas对钢箱梁桥进行力学性能分析，以保障桥梁施工过程的稳定与安全，为类似工程提供参考。
1 工程概况
人文路贾鲁河桥是典型的无背索斜拉桥，主桥采用双索面独塔结构，桥梁全宽55 m，为塔梁固结体系。主塔上塔柱高70 m，每节段长6 m，塔身倾角60°。主梁为钢混纵向组合结构，主桥长度190 m，纵向布置为30 m+120 m+40 m，主跨120 m，其中主跨跨中100 m为钢箱梁，钢梁与混凝土梁结合处设钢混结合过渡段，钢梁为主纵梁、小纵梁、中横梁、小横梁、正交异性钢桥面板及大悬挑组成的钢构架。
2 有限元模型
文章采用的混合有限元法计算的准确性，对混合单元模型与杆系模型在二恒和活载作用下的变形进行对比。
2.1 计算模型
采用混合有限元模型对贾鲁河桥进行分析，跨中区域的钢箱梁采用板壳单元模拟，其他区域采用梁单元模拟。根据圣维南原理，钢箱梁采用板壳建模的长度为55 m，混合有限元模型，混合模型共计生成壳单元101 549个，梁单元68个。
2.2 计算参数
主梁的材料参数取值见表1。
表1 计算选用的材料参数表
2.3 计算荷载
计算荷载包括梁体自重、二期铺装和公路I级汽车荷载。混合有限元模型中梁单元所承受荷载以线荷载形式施加到梁单元上。全桥按8车道布载，车道折减系数为0.5。壳单元上车道荷载按面荷载施加。
3 钢箱梁受力分析
3.1 钢箱梁变形分析
贾鲁河桥钢箱梁宽55 m，横向尺寸大，采用整体杆系模型可以计算得到梁段的竖向变形。但对于梁段的横向变形，整体杆系模型无法给出精确的计算结果。文章基于空间板壳模型，重点分析钢箱梁横桥向变形。
钢箱梁横向变形分析表明：自重作用下钢箱梁横向相对变形（横桥向其他点相对于钢箱梁中线处点的变形）最大值为1 mm，二恒作用下钢箱梁横向相对变形最大值为-2.8 mm（如图1所示），活载作用下钢箱梁横向相对变形最大值为1.7 mm（如图2所示）。钢箱梁横隔板间距较小，钢箱梁横向刚度较大，尽管钢箱梁宽度达55 m，但结构横桥向变形基本一致[1]。
图1 二恒作用下钢箱梁横桥向相对变形（相对于箱梁中线位置）
图2 活载作用下钢箱梁横桥向相对变形（相对于箱梁中线位置）
自重、二恒和1/2活载下的钢箱梁横向累积相对变形在-2~1.6 mm。
3.2 钢箱梁应力分析
贾鲁河桥钢箱梁横向尺寸大，采用正交异性板结构，钢箱梁空间受力效应明显，采用杆系模型无法反映结构的空间应力分布。文章基于空间板壳模型，重点分析钢箱梁在二恒和活载作用下的空间应力情况，并与梁单元计算结果进行对比以评估钢箱梁的剪力滞效应。
以跨中一典型截面为例，对钢箱梁顶板正应力沿横桥向的分布进行分析，分析表明:自重作用下顶板正应力横向分布变化范围为3.45～13.07 MPa，二恒作用下顶板正应力横向分布变化范围为-7.71～13.55 MPa，自重作用下顶板正应力横向分布变化范围为-6.26～12.05 MPa。自重作用下钢箱梁顶板正应力沿横向分布不均匀性较二恒和活载下更突出。钢箱梁截面剪力滞效应较明显，二恒作用下最大剪力滞系数为1.21。
3.3 钢箱梁施工过程应力控制
施工过程中对钢箱梁的关键截面进行了应力监控，在环缝焊接工况下钢箱梁应力变化的最大值为0.7 Mpa，在塔柱施工工况下跨中截面应力变化最大24.9 Mpa。应力监测数据表明，所有测点应力均未超出材料的强度设计值，说明施工过程结构处于安全状态。
4 结语
文章对贾鲁河桥钢箱梁建立了精细的分析模型，首先通过混合单元模型与杆系模型的计算对比，验证了混合单元模型计算的正确性。接着对自重、二恒和活载作用下的钢箱梁横向变形进行了分析，分析表明二恒作用下钢箱梁横向相对变形最大，其值为-2.8 mm。总体来看，钢箱梁横向刚度较均匀，钢箱梁横向变形基本一致。对自重、二恒和活载作用下的钢箱梁应力分析表明:自重作用下顶板正应力横向分布不均匀性最突出，变化范围为3.45～13.07 MPa。总体来看，钢箱梁应力具有较大的安全富余度（Q345钢材强度设计值为275 MPa），但钢箱梁截面剪力滞效应较明显，二恒作用下最大剪力滞系数为1.21。对施工过程钢箱梁关键截面的应力监控表明，施工过程测点结构最大应力均未超出钢材强度设计值，结构受力处于安全状态。
