劉 勇，翟志雄，郭俊峰

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015）

文章以武漢光谷大道南延（三環(huán)線—外環(huán)線）工程第一標(biāo)段主線高架橋GN4聯(lián)四跨連續(xù)鋼箱梁為背景，采用Midas有限元軟件，先建立連續(xù)鋼箱梁橋縱向單梁模型，提取荷載，然后單獨(dú)建立外伸橫梁精細(xì)化模型，并建立全橋?qū)嶓w模型與以上桿系模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，開展連續(xù)鋼箱梁橋外伸橫梁有限元分析。分析成果為大跨度、寬幅鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

武漢光谷大道南延（三環(huán)線—外環(huán)線）工程第一標(biāo)段光谷大道主線高架橋GN4聯(lián)跨徑布置為（45+67+70+46.5）m=228.5m的四跨連續(xù)鋼箱梁橋，其中GN15、GN16號墩為避開地鐵站，橋墩及樁基布置在橋梁橫斷面外側(cè)，其中GN15兩墩柱中心的距離為31.5m，對應(yīng)該支點(diǎn)處外伸橫梁總長為33.5m；GN16兩墩柱中心的距離為31.2m，對應(yīng)該支點(diǎn)處外伸橫梁總長為33.2m。平面布置如圖1所示。

圖1 GN4聯(lián)平面布置示意圖（單位：m）

該聯(lián)主梁結(jié)構(gòu)采用變截面連續(xù)鋼箱梁，頂板寬25.8m，底板寬18.9m，跨中梁高1.92m，墩頂3.42m，箱梁頂設(shè)置8cm鋼纖維砼現(xiàn)澆層。鋼纖維砼通過剪力釘和鋼箱梁形成整體。鋼箱梁跨中頂板、底板厚度為16mm，支點(diǎn)處加厚到24mm；跨中腹板厚度為16mm，在無外伸橫梁段支點(diǎn)處邊腹板及中腹板均加厚到20mm，在外伸橫梁處邊腹板加厚到24mm或30mm，中腹板加厚到20mm，鋼箱梁頂?shù)装寮觿爬呔捎脛偠容^大的U型加勁肋。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

圖2 GN4聯(lián)箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：m）

主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：（1）汽車設(shè)計(jì)荷載：城-A級；（2）設(shè)計(jì)時(shí)速：60km/h；（3）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；（4）設(shè)計(jì)使用年限：100年；（5）設(shè)計(jì)安全等級：一級；（6）地震烈度：基本烈度6度，按7度設(shè)防，地震動峰值加速度0.05g；（7）設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅰ類；（8）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γo=1.1。

2 連續(xù)鋼箱梁橋支點(diǎn)外擴(kuò)橫梁精細(xì)有限元建模

2.1 全橋有限元單梁模型建立

運(yùn)用Midas軟件建立全橋有限元單梁模型，主梁模型共163個節(jié)點(diǎn)和154個單元。通過建立全橋精細(xì)化單梁模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況添加荷載與邊界條件等，達(dá)到模擬橋梁實(shí)際情形，武漢光谷大道南延（三環(huán)線—外環(huán)線）工程第一標(biāo)段光谷大道主線高架橋GN4聯(lián)鋼箱梁橋有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元單梁計(jì)算模型

2.2 計(jì)算模型參數(shù)

鋼箱梁自重由程序自動計(jì)算，結(jié)合設(shè)計(jì)重量添加；鋼箱梁橋面鋪裝由上到下采用4cm厚SMA-13型瀝青瑪蹄脂+PC-3型乳化瀝青黏結(jié)層+6cm厚AC-20C型中粒式改性瀝青混凝土+橡膠乳化瀝青黏結(jié)層，而后下設(shè)橋面防水層+8cm厚C50鋼纖維砼，橋面鋪裝鋼纖維混凝土容重取25kN/m3，瀝青混凝土容重取24kN/m3。該橋增加荷載為114.4kN/m，雙側(cè)防撞護(hù)欄增加荷載為7.0kN/m；活載按雙向六車道布置；基礎(chǔ)不均勻沉降值取5mm計(jì)算；溫度荷載考慮整體升溫35℃，整體降溫30℃；梯度溫度參照BS5400英國規(guī)范進(jìn)行分析。

2.3 GN15支點(diǎn)橫梁梁單元模型建立

考慮到GN15支點(diǎn)橫梁，受力最不利，故文章以GN15支點(diǎn)橫梁為例，運(yùn)用Midas軟件建立外伸橫梁有限元精細(xì)化模型，橫梁重量按實(shí)際施加，同時(shí)將縱向計(jì)算時(shí)永久作用和除汽車、人群以外的可變作用引起的支反力標(biāo)準(zhǔn)值作為永久荷載平均施加在橫梁的各腹板位置，汽車、人群荷載在其實(shí)際作用范圍按最不利加載。具體外伸橫梁有限元精細(xì)化模型如圖4所示。

圖4 外伸橫梁有限元精細(xì)化模型（單位：kN）

2.4 GN15支點(diǎn)橫梁實(shí)體模型建立

運(yùn)用Midas軟件建立GN15支點(diǎn)橫梁板單元模型，采用四節(jié)點(diǎn)板單元，按實(shí)際賦予厚度，橫梁重量按實(shí)際施加，同時(shí)將縱向計(jì)算時(shí)永久作用和除汽車、人群以外的可變作用引起的支反力標(biāo)準(zhǔn)值作為永久荷載平均施加在橫梁的各腹板位置，汽車荷載在其實(shí)際作用范圍按最不利加載。板單元模型與梁單元模型進(jìn)行計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 主梁計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果提取截面的應(yīng)力、撓度、空間變形特征，承載能力極限狀態(tài)主梁上下緣最大正應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5所示，豎向位移示意圖如圖6所示。

圖5 承載能力極限狀態(tài)主梁最大正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖6 正常使用狀態(tài)主梁豎向位移示意圖（單位：mm）

由計(jì)算結(jié)果可知，在承載能力極限狀態(tài)下，鋼箱梁最大正應(yīng)力為139.8MPa，位于GN14支點(diǎn)橫梁處，主梁方向最大拉應(yīng)力為113.1MPa；主梁最大撓度為187mm，故設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置160mm預(yù)拱度，滿足規(guī)范要求。

3.2 GN15支點(diǎn)橫梁梁單元模型計(jì)算結(jié)果

考慮到GN15支點(diǎn)橫梁受力最不利，故文章以GN15支點(diǎn)橫梁為例，分析支點(diǎn)外伸橫梁應(yīng)力變化，GN15墩支點(diǎn)橫梁長33.5m，橋梁頂板寬25.8m，底板寬18.9m，該支點(diǎn)橫梁采用4片厚40mm的鋼橫隔板，結(jié)果如圖7所示。

圖7 承載能力極限狀態(tài)下GN15支點(diǎn)橫梁最大正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

由圖7所示可知，荷載最不利位置在外伸橫梁與主梁外側(cè)腹板交接處，在承載能力極限狀態(tài)下最大正應(yīng)力為144.7MPa，在此位置主梁方向最大拉應(yīng)力為92.5MPa，此位置受力復(fù)雜，應(yīng)力較集中，故設(shè)計(jì)時(shí)橫梁鋼板厚度為40mm，支點(diǎn)兩側(cè)一定范圍內(nèi)腹板、頂板和底板都應(yīng)加厚。橫梁豎向撓度為26mm，滿足規(guī)范要求，需設(shè)置預(yù)拱度。

3.3 GN15支點(diǎn)橫梁板單元模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)GN15支點(diǎn)橫梁板單元模型計(jì)算結(jié)果，在荷載最不利位置在外伸橫梁與主梁外側(cè)腹板交接處，最大正應(yīng)力為165.2MPa，結(jié)果大于梁單元模型。查看模型腹板應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，由于剪力滯效應(yīng)，腹板應(yīng)力不是等額分配，兩外側(cè)腹板應(yīng)力大于中間三塊腹板，在外伸橫梁與主梁外側(cè)腹板交接處應(yīng)力集中，受力最不利，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮外伸橫梁與主梁外側(cè)腹板交接處進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

4 結(jié)束語

（1）采用Midas進(jìn)行本文以武漢光谷大道南延（三環(huán)線—外環(huán)線）工程主線高架橋GN4聯(lián)進(jìn)行有限元分析時(shí)，大跨度主梁、支點(diǎn)外伸橫梁變形、應(yīng)力等受力狀況良好，分析結(jié)果合理可靠。（2）鋼箱梁最大正應(yīng)力為139.8MPa，位于GN14支點(diǎn)橫梁處，主梁方向最大拉應(yīng)力為113.1MPa；外伸橫梁荷載最不利位置在外伸橫梁與主梁外側(cè)腹板交接處，橫梁最大正應(yīng)力為144.7MPa，在此位置主梁方向最大拉應(yīng)力為92.5MPa；在實(shí)體板單元計(jì)算結(jié)果下，最大應(yīng)力有所增大為165.2MPa，均滿足規(guī)范要求，且有足夠的壓應(yīng)力儲備，主梁及支點(diǎn)外伸橫梁變形與受力狀況良好。（3）有外伸橫梁的連續(xù)鋼箱梁、外伸橫梁較長時(shí)，不僅主梁縱向需要設(shè)置預(yù)拱度，外伸橫梁橫向也需設(shè)置預(yù)拱度。（4）外伸橫梁由于跨度較大，對簡支橫梁橫向有很大的下?lián)?，有外伸橫梁與縱向主梁在邊腹板的交界處由于剛度的不匹配，導(dǎo)致橫梁與邊腹板的交界區(qū)域受彎-扭耦合作用，通過模型分析可以看出，有外伸橫梁的支點(diǎn)處兩外側(cè)腹板應(yīng)力明顯大于中間三塊中腹板，且實(shí)體模型計(jì)算的結(jié)果要大于桿系模型計(jì)算的結(jié)果，碰到類似這樣的結(jié)構(gòu)，應(yīng)對橫梁進(jìn)行局部的實(shí)體分析，以保障結(jié)構(gòu)安全。