羅松濤，鄧淑飛，趙志剛

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650118）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，國(guó)家進(jìn)一步加大了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，有力地促進(jìn)了市政橋梁建設(shè)的發(fā)展。鋼箱梁自重輕、節(jié)約材料、安裝工藝簡(jiǎn)單、便于養(yǎng)護(hù)維修、整體穩(wěn)定性好，近年來(lái)在我國(guó)得到了快速發(fā)展，此外，鋼箱梁一般不會(huì)出現(xiàn)局部破壞，在鋼材抗拉、抗壓、抗剪性能方面表現(xiàn)突出，受力性能和工作性能較好，發(fā)展前景廣闊［1］。本文通過(guò)Midas Civil空間梁?jiǎn)卧＃瑢?duì)某跨河連續(xù)鋼箱梁下承式拱橋的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、抗傾覆、穩(wěn)定性等多方面進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概況

本項(xiàng)目某跨河連續(xù)鋼箱梁下承式拱橋所跨河道常水位規(guī)劃標(biāo)高8.0 m，河岸兩側(cè)設(shè)置有綠道，擬建橋位與路線正交，跨徑布置為19 m+40 m+19 m。本橋方案采用連續(xù)鋼箱梁橋，中跨為梁拱組合結(jié)構(gòu)（兩邊拱為裝飾拱），下承式拱橋，橋長(zhǎng)83 m，交角為90°，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、薄壁臺(tái)、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)全寬為32 m，橋墩為雙柱墩［2］。本橋總體布置如圖1，圖2所示。

圖1 橋型立面圖

圖2 橋梁典型橫斷面圖

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鋼箱梁

主梁采用單箱六室斷面，橋面全寬32 m，單側(cè)懸臂長(zhǎng)6.65 m，橫向設(shè)置6個(gè)箱室，鋼主梁中心線處梁高1.3 m，梁頂面設(shè)雙向1.5%橫坡，均采用Q345qD材質(zhì)［3］。

1）頂板。

縱梁頂板采用正交異性鋼橋面板，由橋面板縱肋、橫隔板及橋面板組成。根據(jù)受力需要，頂板采用16 mm厚度，橋墩處拱梁結(jié)合段局部加厚到20 mm。頂板根據(jù)受力需要設(shè)置在中間4個(gè)箱室范圍設(shè)置U肋，其余兩側(cè)設(shè)置板肋。U肋厚度8 mm，高280 mm，上口寬300 m，下口寬170 m，橫向標(biāo)準(zhǔn)間距600 m。板肋厚度14 mm，高140 mm，標(biāo)準(zhǔn)間距300 mm，400 mm。

2）底板。

根據(jù)受力需要，縱梁底板在橋墩處拱梁結(jié)合段局部加厚到20 mm，其余段落底板厚14 mm，具體構(gòu)造詳見(jiàn)圖紙部分。底板設(shè)置板肋，板肋厚度14 mm，高140 mm，標(biāo)準(zhǔn)間距400 mm。

3）腹板。

邊腹板厚度為14 mm，在橋墩處拱梁結(jié)合段局部加厚到20 mm。腹板設(shè)置兩道板肋，縱向板肋距頂?shù)装寰嚯x均為320 mm左右，板肋寬度14 mm，高140 mm。

4）橫隔板。

橫隔板基本間距2.0 m，標(biāo)準(zhǔn)板厚12 mm，拱梁結(jié)合處根據(jù)受力需要板厚設(shè)為20 mm。

橋面鋪裝層采用8 cm鋼纖維混凝土+10 cm瀝青混凝土，橋面鋪裝層總厚度為18 cm，行車(chē)道橋面兩側(cè)設(shè)置鋼護(hù)欄，人行道側(cè)設(shè)置不銹鋼護(hù)欄。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 1/2鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2.2 主拱肋

拱肋采用單箱單室等截面鋼箱拱，截面寬度為1.2 m，截面高度為1.0 m。拱軸線在拱肋平面內(nèi)為圓曲線，計(jì)算跨徑39.743 4 m，計(jì)算矢高為8.782 9 m，計(jì)算矢跨比4.525 1。

鋼拱肋截面厚度為20 mm，拱圈內(nèi)部均采用Ⅰ型加勁肋，加勁肋高度為140 mm，鋼板厚度為16 mm。拱箱內(nèi)，順橋向每隔0.75 m～1.4 m左右設(shè)置一道橫隔板，橫隔板平面與拱軸線垂直，常規(guī)段隔板厚度為12 mm，吊點(diǎn)位置厚度48 mm，常規(guī)段隔板中心采用挖空處理，便于后期檢修人員出入，吊點(diǎn)處橫隔板不挖空。挖空孔洞邊緣采用寬200 mm、厚度10 mm的鋼板包裹一圈進(jìn)行加勁處理。在吊桿處另外設(shè)置吊桿加勁隔板，與吊桿軸線方向一致。

拱肋共分為7個(gè)節(jié)段，節(jié)段在工廠分段制造，安裝時(shí)采用焊接的連接方式。

主拱拱腳受力復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)安全，主拱拱腳與主梁端部作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)，將主梁中箱腹板伸出梁體設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)板，充當(dāng)主拱拱腳箱體的腹板。

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁下構(gòu)型式采用柱式墩、一字臺(tái)、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)全寬為32 m，橋臺(tái)背墻寬0.5 m，臺(tái)后設(shè)2.5 m長(zhǎng)橋臺(tái)側(cè)墻，側(cè)墻寬0.5 m。橋墩為雙柱墩，墩身直徑由1.6 m按圓曲線漸變?yōu)?.6 m。

橋臺(tái)采用承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)，單個(gè)橋臺(tái)設(shè)置兩排共計(jì)12根1.2 m樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為26 m。橋墩采用承臺(tái)+樁基礎(chǔ)，單個(gè)橋墩共設(shè)置12根1.8 m樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為38 m。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主要計(jì)算參數(shù)

3.1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1）設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：城市-A級(jí)。

2）橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

3）橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：重要等級(jí)Ⅰ級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1［4-5］。

3.1.2 荷載取值

1）恒荷載。

a.一期恒載：

一期恒載包括主梁自重，鋼材密度7 850 kg/m3，由程序自動(dòng)計(jì)算其自重。

b.二期恒載：

二期恒載為人行道、人行道護(hù)欄、防撞護(hù)欄、18 cm橋面鋪裝（8 cm鋼纖維+10 cm瀝青）及聲屏障等，分別加載至鋼箱梁和調(diào)臂上。

2）溫度作用（見(jiàn)圖4）。

圖4 正、負(fù)溫差示意圖

a.正溫度梯度：按BS5400取值；正溫差：T1=24℃；h1=0.1 m，T2=14℃；h2=0.2 m，T3=8℃；h3=0.3 m，T4=4℃。

b.負(fù)溫度梯度：按BS5400取值；負(fù)溫差：h1=0.5 m，T2=6℃。

c.整體溫度：取整體升溫30℃，整體降溫30℃。

3）活載。

汽車(chē)、人群與非機(jī)動(dòng)車(chē)道荷載按CJJ 11—2011城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（2019年版）取用。

4）支座沉降。

支座沉降量按5 mm計(jì)算，程序自動(dòng)組合最不利情形。

5）風(fēng)荷載。

按照J(rèn)TG/T 3360-01—2018公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，主梁風(fēng)荷載為3 kN/m，主拱風(fēng)荷載為5 kN/m。

3.2 計(jì)算模型

采用Midas Civil空間梁?jiǎn)卧?，單元?shù)774，節(jié)點(diǎn)數(shù)796，拱肋與鋼箱梁采用剛性連接，支座節(jié)點(diǎn)與主梁對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間剛性連接，并采用彈性連接模擬支座，單梁整體模型見(jiàn)圖5。

圖5 單梁計(jì)算模型

3.3 結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］第4.2.3條，在不計(jì)沖擊力的汽車(chē)車(chē)道荷載頻遇值（頻遇系數(shù)為1.0），計(jì)算撓度值不應(yīng)超過(guò)l/500。

如圖6所示，各跨在不計(jì)沖擊力的汽車(chē)車(chē)道荷載頻遇值作用下最大豎向撓度為3 mm，最小撓度為-5 mm，剛度為1/5 000；滿足規(guī)范要求。

圖6 汽車(chē)荷載頻遇值作用最小撓度

3.4 鋼箱梁應(yīng)力

3.4.1 鋼箱梁第一體系應(yīng)力

1）整體計(jì)算模型下，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0=1.1，按基本組合提取鋼箱梁各部位最大、最小應(yīng)力值見(jiàn)表1。

表1 整體計(jì)算模型下鋼箱梁應(yīng)力

由表1可知，基本組合作用下，鋼箱梁最大計(jì)算正應(yīng)力為78.5 MPa，小于Q345qD鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa；鋼箱梁最大剪應(yīng)力62.8 MPa，小于Q345qD鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值155 MPa，鋼梁抗彎、抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2）截面正應(yīng)力的修正。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.7條相關(guān)條文，截面受壓翼緣應(yīng)考慮局部穩(wěn)定影響；第5.1.8條，受拉或受壓翼緣應(yīng)考慮剪力滯效應(yīng)的影響。主要計(jì)算成果如下：

對(duì)受拉加勁板考慮剪力滯影響，對(duì)受壓板同時(shí)考慮局部穩(wěn)定影響、剪力滯影響。為方便計(jì)算，偏安全地，某一截面處局部穩(wěn)定折減系數(shù)、剪力滯折減系數(shù)取頂、底板計(jì)算結(jié)果中的較小值作為頂、底板的折減系數(shù)；此時(shí)，截面中性軸位置可近似視為不變。對(duì)兩邊跨、中跨跨中及兩中支點(diǎn)處進(jìn)行修正，結(jié)果如表2所示。

表2 鋼箱梁上緣、下緣修正應(yīng)力表

3）腹板正應(yīng)力與剪應(yīng)力共同作用。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.1條第4款，平面內(nèi)受彎實(shí)腹板式構(gòu)件腹板在正應(yīng)力σx與剪應(yīng)力τ共同作用時(shí)，應(yīng)滿足

近似取腹板最大正應(yīng)力為130.0 MPa，剪應(yīng)力取為62.8 MPa，則：

3.4.2 鋼箱梁第二體系應(yīng)力

第二體系中，縱肋與橋面板支承于橫隔板上，并將自重及外力傳遞給橫隔板，橫隔板間距即為縱肋的跨度。本橋采用橋面板格子梁法計(jì)算在恒載、汽車(chē)荷載作用下縱肋的最不利應(yīng)力，作為正交異性橋面板的第二體系應(yīng)力，模型詳見(jiàn)圖7，圖8。

圖7 跨中附近格子梁法計(jì)算模型圖

圖8 支點(diǎn)附近格子梁法計(jì)算模型圖

3.4.3 鋼箱梁縱橋向總應(yīng)力結(jié)果

鋼箱梁頂板所受縱橋向正應(yīng)力共分為兩部分：第一體系應(yīng)力（縱向計(jì)算應(yīng)力）及第二體系應(yīng)力（頂板縱肋計(jì)算應(yīng)力），鋼箱梁底板僅受第一體系應(yīng)力，綜合后鋼箱梁所受應(yīng)力如表3所示。

表3 鋼箱梁上緣、下緣修正總應(yīng)力表MPa

由表3可知，鋼箱梁總應(yīng)力計(jì)算滿足規(guī)范要求。

3.5 拱肋應(yīng)力

整體計(jì)算模型下，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0=1.1，按基本組合提取拱肋各部位最大、最小應(yīng)力值如表4所示。

表4 整體計(jì)算模型下拱肋應(yīng)力MPa

由表4可知，拱肋應(yīng)力計(jì)算滿足規(guī)范要求。

3.6 吊桿驗(yàn)算

由圖9可知，基本組合作用下，單根吊桿最大內(nèi)力984.7 kN，吊桿規(guī)格為GJ15-12，吊桿破斷力為3 125 kN，安全系數(shù)3.17＞2.5，吊桿強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖9 基本組合下吊桿內(nèi)力包絡(luò)圖

1）吊桿疲勞應(yīng)力幅驗(yàn)算。

根據(jù)JTG D64—2015公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范5.5.1，5.5.2，5.5.4條及附錄C進(jìn)行吊桿疲勞應(yīng)力幅驗(yàn)算。

采用疲勞和在計(jì)算模型Ⅰ進(jìn)行驗(yàn)算，σmax=34.9 N/mm2，σmin=0，Δσp=34.9 N/mm2，ΔσD=50 N/mm2。

2）耳板驗(yàn)算。

根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)11.6.2條，連接耳板兩側(cè)邊緣與銷(xiāo)軸孔邊緣凈距b=200 mm，次耳板板厚t2=24 mm，be=2×24+16=64 mm≤b，順受力方向，銷(xiāo)軸孔邊距板邊緣距離a=200 mm≥4/3be=85.33 mm，滿足構(gòu)造要求。

根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)11.6.3條，驗(yàn)算耳板抗拉及抗剪強(qiáng)度：

a.耳板孔凈截面處的抗拉強(qiáng)度：

3.7 抗傾覆計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，本橋基本組合作用下未出現(xiàn)負(fù)反力，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為4.68＞2.5，滿足規(guī)范要求。

3.8 穩(wěn)定計(jì)算

結(jié)合該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，大橋一階失穩(wěn)模態(tài)如圖10所示。

圖10 一階失穩(wěn)模態(tài)拱肋面外失穩(wěn)

大橋一階失穩(wěn)為拱肋外面失穩(wěn)，臨界荷載系數(shù)為126.9，大橋穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一座19 m+40 m+19 m連續(xù)鋼箱梁下承式拱橋，得出以下結(jié)論：1）本次鋼箱梁第二體系應(yīng)力采用格子梁法簡(jiǎn)化計(jì)算，該方式計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值相近，具有一定的工程設(shè)計(jì)參考意義。2）通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算，表明在全橋施工階段及運(yùn)營(yíng)階段，該橋主梁、拱肋及吊桿受力均滿足規(guī)范要求。