横向大悬臂钢箱梁桥力学性能分析

胡志礼

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023）

0 前言

现代城市车辆增长迅速，交通流量日益加大，建立高架桥网络是解决城市交通拥堵的有效途径。但由于城市高架桥不可避免跨越地面道路，对周边交通和环境影响较大，故施工便捷、结构性能好、环境影响小的钢箱梁桥在城市高架桥中应用较为广泛。以武汉市为例，近5年，二环线、竹叶山、武咸公路等高架桥在跨越道口处大范围使用钢箱梁，平面面积达12 000 m2。这些钢箱梁桥受桥下空间的限制，墩柱间距和箱梁支座横向间距均较小，而桥面宽度均在30 m左右，形成典型的横向大悬臂宽钢箱梁结构，因此，明确大悬臂宽钢箱梁桥的力学性能，为设计和施工奠定理论基础，是非常必要的。

目前，钢箱梁桥力学性能的研究主要针对桥宽为8～16 m等宽钢箱梁，且支座横向布置较为均匀，箱梁横向悬臂宽度合理，而对支座横向间距小（6 m左右）、箱梁横向悬臂大（10 m以上）的宽钢箱梁桥研究却较少。因此，本文以一座横向大悬臂宽钢箱梁桥为背景，采用Midas有限元软件建立其空间有限元模型，分析横向大悬臂宽钢箱梁桥在不同荷载作用下的内力和变形分布规律，提出优化设计该类桥梁的方法，为今后类似桥梁的建设提供参考。

1 工程背景

武汉市二环线汉口段位于武汉市汉口发展大道上，其中高架桥全长达11.5 km。由于地面交通的影响，在跨越道口均采用节段施工、整体吊装的钢箱梁方案。其中跨越南泥湾大道道口处的曲线连续钢箱梁结构，跨径布置为（45+57+45）m，桥面宽度为26 m，箱梁支座中心线间距为6.0 m，横向悬臂理论长度达10 m，为典型的横向大悬臂斜腹板宽钢箱梁桥。该钢箱梁桥平面布置见图1。

图1 钢箱梁桥平面布置图

1.1 箱梁截面构造

箱梁全宽26.0 m，中心线处梁高2.2 m。钢箱梁采用单箱5室截面，箱室宽4.5～4.675 m，两侧悬臂各4.0 m。由于该联位于平曲线段，箱梁顶底板平行，设2.0%单向横坡。

箱梁顶底板厚16 mm，在支点横梁区域加厚至24 mm。箱梁两外侧腹板采用斜腹板，中间腹板采用铅直腹板，腹板间距4.5 m左右。腹板厚度为14 mm，在支点横梁附近区域加厚至36 mm。钢箱梁标准断面见图2。

图2 箱梁标准断面图（单位：mm）

箱梁横梁采用两道腹板箱形横梁，中横梁腹板厚度40 mm，端横梁腹板厚度24 mm。横梁腹板间加设竖向加劲肋。由于桥下空间的限制，箱梁支座中心线间距为6.0 m，箱梁理论悬臂长度达10.0 m。本联箱梁为典型的横向大悬臂宽钢箱梁结构。支点断面见图3。

图3 箱梁支点断面图（单位：mm）

各腹板在端横梁和中横梁位置附近为36 mm厚，其余段为14 mm厚。

1.2 主要设计参数

结构重要性系数γ0＝1.1。

钢板采用Q345qC，其弹模E＝2.0×105MPa。

1.3 主要技术标准

（1）桥梁设计荷载为：城-A；

（2）设计基准期：100 a；

（3）设计安全等级：一级；

（4）抗震设防标准：桥梁抗震设防类别为B类，基本地震动加速度峰值0.05 g;

（5）温度变化：-15℃～45℃。

2 钢箱梁桥计算模型

2.1 计算模型

运用Midas Civil 2010有限元软件，建立三跨连续的横向大悬臂钢箱梁桥有限元模型，考虑恒载、汽车活载、温度、基础不均匀沉降等荷载作用，分析正常使用极限状态连续钢箱梁桥的空间力学性能。具体有限元模型见图4。

图4 大悬臂宽钢箱梁桥有限元计算模型

2.2 计算控制截面

为明确该钢箱梁桥在各种不同荷载作用下的结构性能，本文对1-1（边墩墩顶）、2-2（边跨跨中）、3-3（中墩墩顶）、4-4（中跨跨中）等控制截面不同部位的应力和变形进行分析。控制截面具体布置见图5。

图5 箱梁立面布置图（单位：mm）

3 连续钢箱梁桥内力和变形分析

3.1 宽钢箱梁桥剪力滞效应分析

由于连续钢箱梁桥桥面宽、横向悬臂大，因此需要分析恒载作用下沿截面宽度方向的应力分布，以明确横桥向剪力滞效应，为桥梁设计提供依据。

由于钢箱梁横截面为对称截面，因此选取钢箱梁截面的一半作为研究对象，分析钢箱梁桥顶板的正应力分布情况，探明其剪力滞的变化规律。钢箱梁桥控制截面正应力分析点为沿桥宽方向的不同位置，对每个截面横桥向选择7个点进行分析，其中1、3、5点分别位于中腹板、次中腹板、边腹板处，具体分布见图6。

图6 正应力分析点分布示意图

从表1中可以看出，在钢箱梁同一横断面处，中腹板和次中腹板处顶板正应力变化较小，分布较为均匀；从钢箱梁边腹板到截面外缘，横桥向顶板正应力衰减的幅度较大，应力分布不均匀，说明横向大悬臂钢箱梁桥存在明显的剪力滞后效应。

表1 恒载作用下钢箱梁各控制截面横桥向顶板正应力（单位：MPa）

对两个跨中截面，边腹板处顶板正应力均约为次中腹板的75%左右，截面外缘正应力约为次中腹板的40%左右；对墩顶截面，边腹板处顶板正应力为次中腹板的92%，截面外缘正应力为次中腹板的73%。说明中墩顶截面横桥向的正应力变化幅度较跨中截面要小，这是由于支座截面横向刚度较大，跨中截面横向刚度相对较小，导致跨中截面比支座截面剪力滞效应更明显。

3.2 横向大悬臂钢箱梁桥正应力和剪应力分析

对横向大悬臂钢箱梁桥，运营阶段的力学性能非常重要，因此本文选取桥梁的关键控制截面，进行运营状态下的连续钢箱梁桥正应力和剪应力分析，以获得标准组合作用（恒载+活载+基础变位+温度）下横向大悬臂钢箱梁桥截面上、下缘的最大正应力和最大剪应力分布规律。计算结果见表2和表3。

表2 标准组合作用下各控制截面横桥向钢箱梁最大正应力（单位：MPa）

表3 标准组合作用下各腹板最大剪应力（单位：MPa）

从表2可以看出，在运营阶段，钢箱梁桥同一截面中腹板和次中腹板处顶、底板最大正应力变化较小，分布较为均匀，但边腹板处顶、底板最大正应力与中腹板处最大正应力相差较大，与恒载作用内力变化趋势一致。

表3表明，在钢箱梁桥同一横断面处，中腹板和次中腹板最大剪应力基本相同，边腹板最大剪应力相对较小，和顶、底板正应力变化一样，各腹板最大剪应力存在一定的不均匀性。这是由于支座布置在中腹板和次中腹板之间，考虑支承刚度后，中腹板和次中腹板的刚度远大于边腹板，中腹板和次中腹板的最大剪应力也比边腹板大，因此建议在设计中考虑不同腹板的应力变化规律，在钢箱梁设计时根据受力情况选择不同腹板厚度。

3.3 横向大悬臂钢箱梁桥变形分析

由于横向大悬臂钢箱梁桥处于横向大悬臂状态，在标准组合作用下，控制截面不同部位的变形也不完全相同，因此本文对控制截面中腹板、次中腹板、边腹板处的变形进行分析，掌握钢箱梁桥沿桥跨和桥宽方向的变形分布特征。桥梁控制截面竖向位移见表4。

表4 标准组合作用下各部位处最大竖向位移（单位：mm）

从表4可以看出，在标准组合作用下，钢箱梁跨中截面处各部位竖向最大位移基本一致；在墩顶截面处，边腹板与中腹板、次中腹板处竖向最大位移有明显差异，边腹板竖向位移较大，比中腹板大10 mm。说明支座间距较小，横向大悬臂状态对钢箱梁结构变形具有一定的影响。边腹板竖向变形越大，其参入纵向受力的效应越小。在设计中有必要对横梁施加预拱。

4 结论

（1）恒载作用下，钢箱梁横桥向顶板正应力衰减幅度较大，应力分布不均匀，横向大悬臂钢箱梁桥存在明显的剪力滞后效应。中墩顶截面横桥向的正应力变化幅度较跨中截面要小，这是由于支座截面横向刚度较大，跨中截面横向刚度相对较小，导致跨中截面比支座截面剪力滞效应更明显。建议设计中，根据钢箱梁桥的剪力滞效应，加强钢箱梁横向刚度。

（2）标准组合作用下，钢箱梁桥同一截面中，边腹板处顶、底板最大正应力与中腹板处最大正应力相差较大；中腹板和次中腹板的最大剪应力比边腹板大，各腹板最大剪应力存在一定的不均匀性，因此建议在设计中考虑不同腹板的应力变化规律，在钢箱梁设计时根据受力情况选择不同腹板厚度。

（3）钢箱梁跨中截面各部位竖向最大位移基本一致；在墩顶截面处，边腹板竖向位移比中腹板大，说明支座间距较小、横向大悬臂状态对钢箱梁结构变形具有一定的影响。在设计中除对该类型箱梁纵向设置预拱外，有必要对横梁设置横向预拱。

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