某简支钢箱梁病害计算分析①

于西尧，冯克岩，杨立坤，赵兴中

(天津市市政工程设计研究院，天津300000)

1 引 言

某园区一座主干道桥梁，跨越现状景观河道，跨径20m，设计右偏角55 度，双幅整体式钢箱梁.

桥面全宽42m，分幅设置;桥梁间分隔带净宽5m，单幅桥横断面为2m 人行道+16m 车行道+0.5m 护栏=18.5m.梁高1m.设计采用整体钢箱梁截面.断面形式如图1 所示.桥面铺装采用4cm 细粒式(上层)+5cm 中粒式沥青混凝土(下层).

设计荷载为城市－A 级，由于该桥为进出功能区的主要通道，建设期间的施工车辆及区内企业大型设备的运输均需通过本桥，交通量大，重载车辆多，是本桥运营期间的一个特点，因此验算荷载定为特载420.

桥梁通车不到4 年，桥面铺装先后已进行3 次更换维修.且几次维修的周期间隔越来越短，第一次桥面大修在通车约2.5 年后，第一次大修后不到1 年即进行第二次大修，第二次大修后不到3 个月即进行第三次大修.鉴于此建设单位委托桥梁检测单位进行全桥详细检测.

1.1 桥梁检测概况

根据检测报告，桥梁表面破坏主要为桥面破坏、钢箱梁涂层脱落锈蚀、伸缩缝损坏、泄水孔锈蚀堵塞、栏杆锈蚀等.

桥面破坏以纵裂和坑槽为主.几道比较明显的纵裂如下图所示.坑槽也集中在桥面中心位置.

桥梁箱室内部破损严重，主要表现为箱室内部积水、主要构件锈蚀、焊缝开裂滋泥、顶板加劲肋断裂、横隔板断裂等.

1.2 结构设计特点

主梁结构为分幅整体钢箱梁，桥梁斜交角35度.钢箱梁梁高1m，单幅桥顶宽18.5m，底宽18m，单箱四室结构，腹板间距为4.2+4.8+4.8+4.2m.钢箱梁构造特点描述如下:

①顶、底板板厚20mm，边腹板板厚25mm，中腹板板厚16mm.

②顶底板纵向加劲肋型式相同，为高100mm、板厚12mm 的矩形钢板，间距600mm 布置.

③横隔板平行于支撑线布置，为框架式横隔板;上、下隔板高200mm，板厚12mm，为矩形钢板.

1.3 计算分析内容及结构材料

受建设单位委托，对本桥进行结构安全检算.计算分析内容如下:

(1)采用平面杆系程序Midas 检算结构整体强度及刚度.

(2)利用Ansys 的板壳单元(shell63)进行全桥空间计算，重点计算加劲肋、横隔板等部位的应力.

(3)参考日本道路桥示方书及《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》验算桥面系刚度.

(4)实体单元法计算局部段落的钢箱梁，考虑桥面铺装的作用，进行桥面铺装的验算.

主桥材料选用Q345qd，桥面铺装采用沥青混凝土，计算考虑材料处于线弹性阶段，材料特性如下表:

表1 材料特性表

2 平面杆系单元法计算

应用Midas 软件建立桥梁模型.

图1 平面杆系模型

图2 特载420 加载图示1

计算工况

(1)恒载

(2)城A 汽车荷载，单向四车道，横向折减系数0.67，考虑1.15 的偏载系数，汽车横向分布系数为3.082，未计入冲击.

(3)全桥长度内一辆特－420 平板挂车，前后无其他车辆荷载.不计冲击.

(4)2 米人行道，人群荷载集度4.05kPa.

在GPX IV案中，美国巡回上诉法院支持了国际贸易法院在GPX IV中的判决，但是基于不同的立场。法院认为反补贴法没有授权商务部向中国采取反倾销措施，原因是1988年和1994年修订了反补贴法之后，国会认可了在非市场经济背景下，政府报酬不属于“补贴”[5](P745)。这与乔治城钢铁案中所提出的“经济激励措施”或者“利益”是否构成了“赠款”或者“拨款”有异曲同工之处。问题似乎又回到了原点。

(5)梯度温度

2.1 钢箱梁应力验算

计算结果如下表所示:

表2 结构计算应力(单位:MPa)

正(M应Pa力)17 15 23 11 26 70 210剪(M应Pa力)19 15 0 0 23 42 120换算32.9 26 23 11 39.8 73 210应力

根据计算结果，钢梁组合应力均在规范容许范围内.

图3 特载420 加载图示2

图4 城A 偏载加载图示

图5 工况2 主梁变形

2.2 钢箱梁刚度验算

城市A 级荷载作用下，主梁竖向最大挠度5mm，特载420 竖向最大挠度8.4mm，均在规范容许范围内.

表3 主梁竖向最大挠度

3 板壳单元法计算

计算采用Ansys.

空间板壳计算主要为检算横向受力，分以下四种工况进行计算，未计入人群荷载、温度荷载及汽车荷载的冲击作用.

工况1 恒载

工况2 特载420 作用在桥梁结构中线上

工况3 特载420 偏离结构中心线1.45m

工况4 两列城A 偏载

3.1 汽车荷载作用下钢箱梁变形

分四种工况进行计算，计算结果如下表

表4 主梁竖向最大挠度

腹板由左向右依次编号腹板1 ～腹板5，五条腹板位移值为1mm，4mm，21.2mm，4mm，1mm.汽车荷载作用下，每条腹板变形区别很大，翘曲效应明显.

3.2 横隔板应力验算

横隔板计算不利状态主要为工况3 和工况4

表5 横隔板计算应力表

图6 工况4 横隔板应力图

图7 工况4 纵向加劲肋应力图

根据计算结果，横隔板应力不满足规范要求

3.3 顶板纵肋应力验算

表6 纵向加劲肋应力表

根据计算结果，纵肋应力不满足规范要求.

4 桥面系刚度计算

依据日本道路桥示方书及《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》，需验算桥面系刚度.主要为板中心变形位移最大处曲率半径、肋间相对挠度两个指标:

表7 桥面系刚度要求

板中心变形位移最大处曲率半径计算公式如下:

肋间曲率半径r =11.5m ＜20m，不满足指南要求.

肋间相对挠度计算公式如下:

当纵向加劲肋间距为600mm 时，肋间相对挠度△=2mm，远大于指南要求的0.4mm.

综上，本桥桥面系刚度明显不足.

5 桥面铺装计算

假设桥面铺装与钢箱梁顶板协调变形，取跨中段建立实体模型计算.计算程序采用Ansys，选用20 节点solid186 高阶单元.

荷载工况取三个车轮荷载作用在箱室中间，不考虑纵向相邻轮载的影响.轮载采用城A 规范的车辆荷载，单个轮载10t.轮胎着地范围600×200mm.

一般钢箱梁铺装层顶面横向拉应变为100 ～160μm，本桥沥青混凝土的计算拉应变为893μm，拉应力1.2MPa，沥青混凝土在这种高应变情况下，疲劳性能很差，很快就会损坏.

6 结 论

根据桥梁检测结果，对桥梁结构进行了详尽分析，计算分析结果显示与桥梁破坏形式基本吻合.分析主要结论如下:

(1)采用平面杆系方法计算，桥梁结构刚度及强度满足规范要求.

(2)根据空间板壳方法计算结果分析，桥梁横向刚度不足、纵向加劲肋刚度偏弱.在特载420 平板挂车、城A 荷载偏载作用下，纵向加劲肋及横隔板拉(压)应力均超出规范容许应力范围.与检测结果基本一致，横隔板、顶板加劲肋均出现不同程度的损坏.

(3)桥梁系刚度不满足《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》相关要求，肋间相对挠度和顶板弯曲曲率偏大，造成铺装受力较大，易发生损坏.

(4)钢箱梁构造不合理，主要表现在纵向加劲肋刚度太小，横向间距偏大;横隔板斜置，且高度偏小;桥面系刚度不足.

［1］ 重庆交通科研研究所.公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 小西一郎，钢桥，第一分册 朱立冬译［M］.北京:人民铁道出版杜，1980.

［3］ 顾兴宇，邓学钧，等.车辆荷载下钢箱梁沥青混凝土铺装受力分析［J］.东南大学学报(自然科学版)，2001，(31)6.

［4］ 徐勋倩，黄卫.钢桥面铺装层结构设计指标近似计算新方法［J］.土木工程学报，2007，(40)4.

［5］ 钱振东，黄卫，等，正交异性钢桥面铺装层的力学特性分析［J］.交通运输工程学报，2002，2(3)

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