大悬臂展翅箱梁悬臂长度分析

徐 岩

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 工程概况

珠海市金港路横琴北段工程是珠海市金海高速公路的一部分，北起洪湾互通，南接横琴互通，路线高架于在建的横琴岛环岛路之上，路线全线均为高架，全长6.578km［1].

大悬臂展翅箱梁脊梁为单箱三室截面形式，顶宽33.5m，底宽17.5m，梁高2.5m，边肋斜度为1∶2，脊梁两侧每隔4～5m，密集设置0.5m宽的横隔板加劲肋，形成鱼刺，以加大悬臂尺寸，桥梁标准横断面如图1所示［2].

图1 桥梁标准横断面

悬臂下部采用弧形镂空装饰板，使得箱梁线条流畅而灵动.弧形镂空装饰板使桥下空间更大，无压抑感.配合主梁梁部相适应的花瓶形板式墩，上下呼应，可使结构整体景观效果好，且满足地面道路通行的需要，如图2所示［3－4].

图2 建成后效果图

2 建立模型

为了研究箱梁悬臂长度对箱梁的影响，采用大型通用有限元分析软件MIDAS／Civil 7.9建立有限元分析模型.桥梁汽车荷载：按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60－2004表4.3.1－2取值，假设车辆后轴作用在隔板上，集中力按140kN计.偏载集中力按四车道布置，如图3所示.

图3 桥梁偏载布置图

梁格法建模思路：取跨中箱梁节段为研究对象，以箱梁隔板为主梁，按梁高划分节点，悬臂采用“T”字型梁截面模型，箱室采用中腹板截面模型，模型采用三隔板，主梁之间采用虚拟横梁连接［5].为尽量使节段模型结果符合实际，在中腹板下和横隔板相交处布置虚拟固定支座一个，其余布置虚拟支座限制竖向位移和竖向转角位移，悬臂长度根据研究需要取值［6－7]，如图4所示.

图4 箱梁梁格模型

3 悬臂长度分析

考虑箱梁在结构重力、汽车偏载和标准组合工况（考虑结构重力和汽车偏载共同作用，组合系数均取1.0）3种工况下，分析4种悬臂长度下箱梁悬臂端部的位移、箱梁悬臂根部的内力、应力，经过整理数据得到各工况下悬臂端位移统计图，结果如图5所示（注：箱梁的位移、内力不考虑钢束的作用，应力考虑钢束的作用）［8].

图5 各悬臂长度箱梁偶然组合作用下悬臂端位移

3.1 箱梁悬臂端部位移

从统计图6（a）～（c）中可看出，在距离悬臂根部距离越远，荷载作用下位移值越大.结构重力作用下6m悬臂端位移最大为2.5mm，12m悬臂端位移最大为20.9mm，悬臂端位移的增加不是线性增加，悬臂增长一倍时，位移值增加近8.3倍.汽车偏载作用下6m悬臂端位移最大为1.0mm，12m悬臂端位移最大为7.8mm，悬臂增长一倍时，位移值增加近7.7倍.从图6（d）可看出，汽车偏载对悬臂位移的增加影响较小，位移的增加主要是箱梁结构重力的作用.

图6 箱梁悬臂端部位移

3.2 箱梁悬臂根部弯矩

从统计图8（a）～（c）中可以看出，在距离悬臂根部距离越远，荷载作用下弯矩值越大.结构重力作用下6m悬臂根部弯矩为1 739kN·m，12m悬臂根部弯矩为5 569kN·m，悬臂增长一倍时，弯矩值增加近3.2倍.从统计图8（d）中可以看出，汽车偏载对悬臂位移的增加影响较小，箱梁悬臂根部弯矩的增加主要是箱梁结构重力的作用.

3.3 箱梁悬臂根部应力

从统计图10中可以看出，在考虑预应力作用时，悬臂越大，在偶然组合作用下悬臂根部应力越大.6m悬臂根部顶缘压应力为5.6MPa，12m悬臂根部顶缘压应力为3.4MPa；6m悬臂根部底缘压应力为2.2 MPa，12m悬臂根部顶缘压应力为12.1MPa，从统计图10（b）可以看出，汽车偏载对悬臂顶缘均产生拉应力，对悬臂底缘均产生压应力.从图10（c）可以看出，在悬臂8m左右时箱梁悬臂的顶底缘产生的压应力基本相等，为4MPa左右（注：图中压应力为负，拉应力为正）.

图10 悬臂根部的应力

4 结 语

本文以横琴二桥工程采用的大悬臂展翅梁为研究对象，运用有限元软件 MIDAS／Civil建立了箱梁的梁格分析模型，分析了在结构重力、汽车偏载及组合工况作用下大悬臂展翅箱梁横向预应力作用效应对不同箱梁悬臂长度的影响.从本文分析中可以得出如下结论：1）大悬臂展翅箱梁的悬臂结构重力对箱梁悬臂位移、内力的影响较为明显，根据桥面宽度选择合适的悬臂长度可以使箱梁的各项指标比较经济、合理，通过分析长度与桥宽的比值在0.2～0.3较为适合.2）汽车偏载作用对箱梁顶板横向受力影响较大，横向弯矩控制箱梁结构横向钢束配筋.

［1]珠海市金港路横琴北段工程设计［J].中铁第四勘察设计院集团有限公司，2011（5）：1－3.

［2]王伟臣.展翅梁桥上部结构设计简介［J].公路，1999（10）：12－16.

［3]苏 磊.展翅梁多腹板宽箱梁桥设计的探讨［J].中国科技信息，2007（21）：32－35.

［4]施顺涛.展翅梁在深圳火车站高架桥中的应用［J].铁道标准设计，1994（3）：21－23.

［5]戴公连，李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用［M].北京：人民交通出版社，2001：15.

［6]张俊平，李新平，张 靖.展翅梁结构节段三维应力场分析［J].桥梁建设，1998（3）：53－54.

［7]刘 芳.广州市内环路工程展翅梁结构设计［J].华南建设学院西院学报，1998，6（1）：88－90.

［8]徐 岩.大悬臂宽幅箱梁桥梁格法空间分析［D].武汉：华中科技大学，2012（5）：21－28.