鸭绿江界河公路大桥主桥钢箱梁的力学行为研究

王晓峰

(太原市市政公用工程质量安全站(太原市轨道交通建设服务中心)，山西 太原 030021)

1 概述

本文以鸭绿江界河公路大桥为例，该桥总长为1 266 m，主跨为636 m，主桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，连续半漂浮体系[1]。主桥中跨主梁采用整体式正交各项异性钢箱梁，边跨主梁采用钢箱结合梁，主梁轮廓总高度为3.5 m，轮廓总宽度为33.5 m；斜拉索为扇形布置，采用7 mm高强度锌铝合金镀层平行钢丝，主梁上的标准索距16.0 m，全桥共4×19对斜拉索；桥塔采用无下横梁H形混凝土塔，高194.6 m，基础采用哑铃形整体基础[2-4]。基础采用钻孔桩基础，辅助墩及过渡墩采用箱型墩，桥跨分别为(86+229+636+229+86)m(18号～23号桥墩)，如图1所示。项目满足双向通航398 m，桥梁设计荷载采用公路-Ⅰ级，按双向八车道高速公路设计，设计速度100 km/h，主桥通航等级为Ⅰ-(1)级航道，主桥采用50年10%和50年2%两种超越概率地震动进行抗震设防。

2 主桥中跨主梁和边跨主梁设计

主桥中跨主梁采用整体钢箱梁结构，选用的材料为Q345低合金钢，其屈服强度为345 MPa。中跨主梁的整体高度为4.5 m，标准节段为15 m，整体宽度为48 m，在中跨主梁的纵向方向设置4道腹板，中腹板之间的间距为18.25 m，在外侧重车道采用实腹式隔板，在中间轻车道采用桁架式隔板，主桥中跨主梁横断面示意图如图2所示。顶板厚度分别在重车道和轻车道区域为20 mm和15 mm，底板的整体厚度为10 mm[5]。在顶板和底板处均增加U形肋板来保证结构强度和刚度，主桥中跨主梁的U形肋板如图3所示。

主桥边跨主梁采用钢箱梁与预制混凝土板相结合结构，其中，在墩顶区域，边跨主梁选用材料为Q370低合金钢，其屈服强度为370 MPa。在其他区域，边跨主梁选用材料为Q345低合金钢，其屈服强度为345 MPa。钢箱梁与预制混凝土板通过湿接缝与剪力钉固定，边跨主梁的整体高度为4.49 m，标准节段为12 m，整体宽度为48 m。在边跨主梁的纵向方向设置4道腹板，中腹板之间的间距为18.25 m，在外侧重车道采用实腹式隔板，在中间轻车道采用桁架式隔板。顶板上部通过设计纵横交错式结构来预设预制混凝土板，预制混凝土板的厚度为37 mm。同样地，在底板处增加U形肋板来保证结构强度和刚度，底板的整体厚度为10 mm。主桥边跨主梁横断面示意图如图4所示。

3 主桥钢箱梁的力学分析

3.1 辅助墩对主桥钢箱梁的影响

通过采用数值分析软件建立全桥的结构模型，对主桥钢箱梁的结构强度进行计算分析。首先通过设计辅助墩的位置来确定主桥钢箱梁的位移和弯矩。通过对比设置的A位置(第11根拉索固定点处)、B位置(第13根拉索固定点处)和C位置(第15根拉索固定点处)三种辅助墩的位置来分析辅助墩的位置分布对主桥位移和弯矩的影响。主桥塔顶水平位移随A,B,C三种辅助墩的位置的变化情况如图5(a)所示。结果表明，辅助墩的设计明显降低主塔塔顶的水平位移，设置辅助墩的主塔塔顶水平位移是不设置辅助墩的20%～50%。并且得出A位置处的位置最小，因此设置辅助墩的位置越靠近塔根部位位移越小，结构越安全。此外，设置辅助墩可以降低塔的根部弯矩，如图5(b)所示，设置辅助墩的主塔塔顶弯矩是不设置辅助墩的30%～40%。

3.2 主桥钢箱梁的结构强度

主桥钢箱梁在集中载荷作用下的跨中挠度为1 240 mm，其挠跨比为1/765，小于规范规定的1/400的要求，说明主桥钢箱梁具有较好的竖向刚度。计算结果表明：主桥中跨钢箱梁上部的最大压应力为126 MPa，钢箱梁下部的最大压应力为172 MPa。主桥边跨钢箱梁上部最大压应力为180 MPa，最大拉应力为175 MPa，钢箱梁下部的最大压应力为200 MPa，最大拉应力为90 MPa。主桥边跨预制混凝土板最大压应力为17.5 MPa；辅助墩上部区域预制混凝土板拉应力为20.1 MPa。结合材料的材料参数，所有强度计算结果都小于材料的许用屈服应力，满足规范和施工要求[6]。

此外，主桥边跨主梁除承受轴向拉压外，在辅助墩处还承受较大的剪力和弯矩。为了研究主桥边跨主梁腹板剪力变化规律，建立全桥有限元模型，对边跨主梁腹板进行受力分析，主梁的上下板件采用板壳单元模拟。图6给出了主桥边跨主梁中腹板和边腹板处的剪力值。由图6可以得出：在集中载荷作用下，辅助墩处中腹板剪力变化剧烈，其剪力值远大于边腹板，因此，主梁辅助墩处的剪力大部分由中腹板承担。由辅助墩2到桥塔区间内，边腹板和中腹板的剪力差逐渐缩小，在桥塔根部处，边腹板和中腹板的剪力差最小。

3.3 主桥钢箱梁纵向应力分析

主桥钢箱梁由于在辅助墩处承受较大的剪力和弯矩，因此钢箱梁翼缘处的压应力会随着肋板间距的变化而变化。根据前人的研究，钢箱梁翼缘在宽度方向受到的弯曲应力呈现出不均匀分布的现象，即剪力滞效应[7-8]。主桥钢箱梁除了受弯曲应力外，其还受到斜拉索的拉力分量-轴向力，而轴向应力与弯曲应力相叠加会使翼缘处的应力更加不均匀。因此，主桥钢箱梁翼缘处的纵向应力的剪力滞效应是由弯曲应力、轴向应力和斜拉索拉力共同引起的[9-10]。理论上，剪力滞效应可由剪力滞系数来表征，主桥钢箱梁纵向应力的剪力滞系数可表示为:

(1)

其中，σf为主桥钢箱梁受到的纵向应力极值;σm为主桥钢箱梁受到的平均应力值。

通过有限元计算可以得到主桥钢箱梁中跨和边跨纵向应力的剪力滞系数，如图7所示。由图7(a)可知，主桥钢箱梁在均布载荷作用下中跨纵向应力的剪力滞系数小于边跨纵向应力的剪力滞系数。中跨纵向应力的剪力滞系数分布在α=1.0～1.5区间内，靠近跨中部位钢箱梁下部和上部的剪力滞系数分别为α=1.44和α=1.46，并且整体上中跨的下部的纵向应力剪力滞系数优于上部。由图7(b)可知，主桥钢箱梁在均布载荷作用下边跨在边墩、辅助墩和桥塔处的纵向应力剪力滞系数优于别的位置。边跨预制混凝土板下部的纵向应力剪力滞系数优于上部。对于主桥边跨主梁采用钢箱梁与预制混凝土板相结合结构，其纵向应力剪力滞系数高于预制混凝土板，且最大值达到α=1.95。

4 结论

本文基于鸭绿江界河公路大桥工程实例，通过对主桥钢箱梁结构的受力分析，并通过有限元计算，得出了以下结论：

1)辅助墩的设计明显降低主塔塔顶的水平位移，设置辅助墩的主塔塔顶水平位移是不设置辅助墩的20%～50%。设置辅助墩的主塔塔顶弯矩是不设置辅助墩的30%～40%。

2)主桥整体和局部的强度计算结果都小于材料的许用屈服应力，满足规范和施工要求。辅助墩处中腹板的剪力值远大于边腹板，主梁辅助墩处的剪力大部分由中腹板承担。由辅助墩2到桥塔区间内，边腹板和中腹板的剪力差逐渐缩小，在桥塔根部处，边腹板和中腹板的剪力差最小。

3)主桥钢箱梁由于在辅助墩处承受较大的剪力和弯矩，因此钢箱梁翼缘处的压应力会随着肋板间距的变化而变化。主桥钢箱梁在均布载荷作用下中跨纵向应力的剪力滞系数小于边跨纵向应力的剪力滞系数。边跨预制混凝土板下部的纵向应力剪力滞系数优于上部。对于主桥边跨主梁采用钢箱梁与预制混凝土板相结合结构，其纵向应力剪力滞系数高于预制混凝土板。