不对称截面大悬臂节段箱梁合理构造形式研究

陈刚 邵吉林 陈德望

摘要 大悬臂箱梁由于其自重轻、方便施工等优点在城市桥梁建设中逐渐广泛应用，但由于缺少理论分析方法，该结构在应用过程中产生不同程度的病害，尤其受地形、地物限制截面采用不对称形式时，在汽车偏载作用下梁体易出现裂缝。为了获取不对称截面大悬臂节段箱梁的合理构造形式，基于某高速公路高架桥上部结构，采用Midas Fea3.7有限元程序进行实体仿真分析。根据仿真分析结果，得到不对称截面大悬臂节段箱梁翼缘板长短边合理比例，为后续结构设计提供参考。

关键词 大悬臂箱梁；不对称截面；仿真分析

中图分类号 U441文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0047-03

0 引言

近年来，由于城市交通量不斷增大，以及对城市土地集约利用和桥梁景观的要求越来越高，大悬臂混凝土箱梁以其自重轻、方便施工等优点广泛应用于城市大跨径高架桥建设中，该结构在降低对下部基础受力要求的同时，减少项目用地，显著节约工程造价。

现有规范中提供的悬臂板受力计算方法具有一定局限性，仅规定了适用于悬臂长度小于2.5 m 的悬臂板计算，但针对悬臂长度大于2.5 m的悬臂板，尚未有详细说明。箱梁翼缘板长度过长可能会导致结构在运营初期产生裂缝，使结构的正常使用性能受到严重影响[1]，尤其在受地形和建筑物限制时，采用不对称截面时箱梁的结构受力更显复杂[2-3]，因此获取不对称截面大悬臂节段箱梁的合理构造形式，有利于提高该结构的应用安全性。

1 工程背景

某双向六车道城市高架桥上部结构采用40 m节段预制拼装箱梁，采用C55混凝土。受城市道路地形限制，桥梁上部结构采用左右悬臂不对称箱型截面梁。

节段预制箱梁主梁全宽16.25 m，梁高2.5 m。外侧翼缘悬臂长度5.4 m，翼缘根部厚0.6 m；内侧翼缘悬臂长3.05 m，翼缘根部厚0.5 m，底板宽6.1 m。根据梁段划分位置，外侧翼缘纵桥向每2 m设置一道加劲肋。节段箱梁断面如图1所示。

2 有限元模型建立

2.1 模型参数

箱梁采用C55混凝土。顶板纵向钢筋采用16钢筋，布置间距15 cm；横向顶层采用22钢筋，底层采用16钢筋，布置间距15 cm。钢筋净保护层外侧为4 cm，内侧为3 cm。顶板横向设置15-3预应力钢束，钢束为直线束，距顶面10 cm，纵向间距为50 cm，4 m标准节段梁设置8束钢绞线；钢绞线锚下张拉控制应力1 395 MPa。

2.2 计算荷载

有限元主要施加荷载如下：

（1）恒载：一期恒载按结构自重加载。

（2）温度：取结构整体升降温20 ℃。

（3）温度梯度：根据监测单位提供数据，实测箱梁顶板上、下缘最大温差为9 ℃。

（4）横向预应力：考虑张拉100%预应力。设计单端张拉控制应力为1 395 MPa，在该张拉力下，经框架单梁模型计算，考虑锚具变形、摩阻力等损失后，每道横向预应力钢束永存张拉力为533 kN。

（5）桥面铺装荷载：2.4 kN/m。

（6）汽车荷载：根据桥面布置取3车道，依据规范取车轮荷载为140 kN。

2.3 模型建立

采用Midas Fea3.7有限元程序进行节段箱梁的仿真分析，混凝土采用实体单元，钢筋和横向预应力采用钢筋桁架单元[4-5]。采用4 m长标准梁节段（腹板厚度 45 cm）进行施工阶段分析时，共设52 126个节点、44 277个单元。有限元计算模型如图2所示。

2.4 计算工况

该次有限元计算取某高速公路高架桥节段预制箱梁进行分析，固定箱梁翼缘板长边长度为5.4 m，对翼缘板短边长度进行变化，共设置8个工况。各工况中翼缘板短边长度分别为2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.4 m。

图2 有限元计算模型

3 不对称大悬臂箱型截面翼缘板宽度合理比值分析

为获取不对称截面大悬臂节段箱梁的合理构造形式，通过有限元分析计算得到不同荷载作用下，节段箱梁在不同翼缘板宽度比值条件下的位移及应力变化情况。由于篇幅限制，仅列出工况1条件下节段箱梁在自重作用下的应力及竖向位移云图，如图3～5所示。

通过有限元计算，不同工况下节段箱梁翼缘板长边竖向位移结果见表2。

根据计算结果可以得到，在汽车作用和标准组合作用下节段箱梁翼缘板长边端部竖向位移随翼缘板宽度比值变化不大。而从节段箱梁在重力作用下翼缘板长边端部竖向位移变化可以看出，当节段箱梁翼缘板宽度比值大于0.65时，翼缘板长边端部竖向位移减小，且变化幅度逐渐稳定。

同时通过有限元计算，可以得出不同工况下箱梁腹板间顶板最大弯矩值。具体计算结果见表3。

根据计算结果显示，与翼缘板长边端部竖向位移随翼缘板宽度比值变化情况相同，在汽车作用和基本组合下节段箱梁腹板间顶板最大弯矩随翼缘板宽度比值变化不大。从应力云图和计算结果中可以看出，在自重作用下节段箱梁顶板最大弯矩出现在箱梁变截面处的顶、腹板交界位置，最大弯矩值随比例的增大而减小，且变化幅度逐渐减小。

最后根据仿真计算结果，得出不同工况下节段箱梁腹板间顶板最大拉应力结果，见表4。

通过计算结果可以看出在标准组合作用下，节段箱梁腹板间顶板最大拉应力受翼缘板宽度比值变化的影响较为显著。在标准组合作用下，节段箱梁顶板最大拉应力出现在接近箱梁变截面处的顶、腹板交界位置，最大拉应力值随悬臂长度比例的增大逐渐减小，且随着比例的增大变化幅度减小，节段箱梁受力情况更加均匀。

4 结论

该文采用Midas Fea3.7有限元软件对不同截面尺寸节段箱梁进行实体仿真分析，根据仿真分析结果，得到以下结论：

（1）不同截面尺寸的不对称截面大悬臂节段箱梁在荷载作用下箱梁悬臂位移、内力和应力变化情况较为明显，尤其在汽车偏载作用下，结构受力分布更为复杂。

（2）通过分析节段箱梁悬臂位移、内力和应力随翼缘板宽度比值变化，得出不对称大悬臂箱型截面翼缘板宽度比例应控制在0.6～1.0之间，且比例越趋近于1时，不对称节段箱梁结构受力更均匀，安全性更高。

（3）通过不对称截面大悬臂节段箱梁有限元分析，节段箱梁变截面处的顶、腹板交界位置应力差值较大，故建议日常巡查过程中应对悬臂根部及顶、腹板交界位置进行重点检查，如出现裂缝应及时采取相应措施。

参考文献

[1]姚玲森. 桥梁工程 第2版[M]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[2]郭晓雷. 长悬臂混凝土箱梁翼缘板受力分析[D]. 石家庄：石家庄铁道大学， 2017.

[3]肖金梅. 大悬臂展翅混凝土连续箱梁桥横向受力分析[D]. 广州：华南理工大学， 2015.

[4]姜晓彬. 兰溪金角大桥不对称箱梁断面受力特性研究[D]. 杭州：浙江大学， 2013.

[5]李立峰， 邵旭东， 程翔云， 等. 变截面长悬臂宽箱梁桥翼缘有效宽度研究[J]. 重庆交通学院学报， 2004（2）： 1-5.