某横向大悬臂连续钢箱梁计算与分析

张恩辰

(合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041)

在城市高架道路设计中，特别在交通繁忙的路口建造立交桥，受施工条件、工期、桥梁总体美观等多方面因素的限制，结构总体设计多采用跨越能力较强，施工快捷的连续钢箱梁方案。这些钢箱梁受桥下空间的限制，墩柱间距和箱梁支座横向间距均较小，而桥面宽度均在25 m左右(双向六车道)，形成典型的横向大悬臂扁平薄壁钢箱梁断面结构，因此明确大悬臂扁平薄壁钢箱梁的力学性能，为设计总结理论基础十分必要。常见扁平钢箱梁断面布置如图1所示。

图1 常见扁平钢箱梁断面布置图

薄壁扁平钢箱梁(梁高与桥宽之比很小)是由顶板、底板、横隔板和纵隔板等板件通过全焊接的方式连接而成，扁平钢箱梁的顶底板通过横隔板及纵隔板等横纵向联结杆件联成整体受力体系[1]。

1 工程实例

某城市高架桥第28联跨越现状主干路，采用三跨连续钢箱梁结构，联长127 m，跨径布置为36 m+55 m+36 m=127 m，桥宽25 m。

主梁采用单箱三室斜腹板钢箱梁截面，梁高2.8 m；箱梁跨中标准截面顶板、腹板厚16 mm，底板厚20 mm；支点段顶板、腹板加厚至20 mm，底板加厚至24 mm。顶、底板间距700 mm设置一道加劲肋，加劲肋采用U形肋，板厚8 mm，肋高250 mm。腹板间距600 mm设置一道板肋，板厚12 mm，肋高150 mm。箱梁沿纵向间距2 m设置一道横隔板，板厚14 mm。钢箱梁标准横断面如图2所示。

图2 1/2标准横断面图

2 计算模型建立

主梁纵向结构分析采用基于平截面假定的空间杆系有限元分析方法，整体结构分析程序采用MIDAS Civil 2019。计算模型依据实际尺寸建立空间梁单元[2,3]。主梁为箱形截面，按实际输入截面。边界条件的约束情况按实际支座位置采用双支座模拟。整体结构分析模型如图3所示。

图3 整体结构分析模型图

设计荷载[4]：

(1)主梁自重：主梁结构自重计算采用容重78.5 kN/m3，程序自动计算。

(2)二期恒载：包括防撞护栏与桥面铺装，以均布荷载计入。

(3)可变荷载：汽车荷载，城-A级，双向六车道。

(4)基础变位作用：各墩考虑支座沉降5 mm；组合后按最不利情况加载。

(5)温度变化：结构按整体温升30℃，整体温降30℃；梯度温度取值按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)执行。

3 计算内容及结果分析

3.1 纵向计算分析

钢箱梁沿纵向整体受力，其受力特性为连续梁特性，跨中正弯矩最大，支座负弯矩最大。采用空间单梁模型，计算结果如图4～图7所示[5]。

图4 拉/压弯构件腹板应力验算包络图

按照《钢规》公式5.3.1-3验算：τd=51.238 MPa≤fv d=155 MPa，f=0.553≤1，满足规范要求。

图5 拉/压弯构件腹板最小厚度验算包络图

按照《钢规》公式5.3.3-1验算：tmin=7.634 mm≤tw=16.000 mm，满足规范要求。

图6 拉/压弯构件翼缘板弯曲正应力验算包络图

图7 拉/压弯构件整体稳定验算包络图

按照《钢规》公式5.4.1-1验算：σ=148.814 MPa≤fd=270 MPa，满足规范要求。

按照《钢规》公式5.3.2-1～2、5.4.2-1～4验算：min(σsd,yi，σsd,zi)=148.814 MPa≤fd=270 MPa，满足规范要求。

3.2 抗倾覆验算

按《钢规》第4.2.2条规定，上部结构采用整体式截面的梁桥在持久状况下结构体系不应发生改变，并应按下列规定验算横桥向抗倾覆性能[5]：

(1) 在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态。

(2) 当整联只采用单向受压支座支承时，符合下式要求：

计算结果见表1。

表1 倾覆验算-稳定系数表格

按照《桥规》第4.1.8条验算：支座反力Fz>0，满足规范要求。横向抗倾覆轴稳定性系数(最小值)k=5.571>k=2.500，满足规范要求。

3.3 挠度验算

按《钢规》第4.2.3条规定，计算竖向挠度时， 应按结构力学的方法并应采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值，频遇值系数为1.0。计算挠度值不应超过表4.2.3规定的限值[5],见表2、表3。

表2 竖向挠度限值

表3 挠度验算及预拱度

按照《桥规》第6.5.3条验算[6]：各梁孔跨中节点汽车荷载(不计冲击系数)和人群荷载频遇组合最大挠度设计值fd均<最大挠度允许值fn，满足规范要求。

3.4 疲劳验算

按《钢规》第5.5.4、5.5.5条规定，分别采用疲劳荷载计算模型Ⅰ、Ⅱ进行验算[5]，如图8、图9所示。

图8 疲劳验算正应力包络图

图9 疲劳验算剪应力包络图

按照《钢规》第5.5.4条验算：疲劳正应力验算满足规范要求。

按照《钢规》第5.5.4条验算：疲劳剪应力验算满足规范要求。

4 结束语

本文以某城市高架三跨连续钢箱梁为工程实例，采用MIDAS Civil有限元软件对其进行结构分析，通过纵向计算分析、腹板应力及构造计算分析、翼缘应力计算分析、整体稳定验算分析、刚度验算分析、抗倾覆验算分析、疲劳验算分析，得到了各方面的主要结论，总结了常规横向大悬臂扁平薄壁钢箱梁的一般设计及计算流程，其主要结论对同类型桥梁的设计具有参考意义。