超宽异形钢箱梁桥设计分析受力性能研究.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）０６００３３０４・设计咨询・超宽异形钢箱梁桥设计分析受力性能研究宋宏祥（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京１０２６００）摘要：结合哈尔滨市公铁两用立交桥市政段最大宽度为５５．１６ｍ的２Ｘ４５ｍ变宽桥梁设计实例，探讨城市超宽异形梁的设计方法。为保证城市桥梁的美观环保、经济合理，对桥梁方案进行了比选；为保证桥梁施工质量和工期，对其工艺进行了详细的研究。介绍了基于板壳有限单元法的超宽异形钢箱梁结构的计算分析，并按照新的钢桥设计规范，给出了主要计算结果。结果表明，在最不利荷载组合下结构的正应力、剪应力、主应力均能满足要求，且留有合理的安全冗余。关键词：钢箱梁异形梁板单元箱室分布设计分析中图分类号：Ｕ４４８．２１＋３；Ｕ４４２文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１８．０６．００９ＳｔｕｄｙｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＳｐｅｃｉａｌ－ｓｈａｐｅｄＳｔｅｅｌＢｏｘＢｅａｍｓｗｉｔｈＳｕｐｅｒＷｉｄｔｈＳｏｎｇＨｏｎｇｘｉａｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＦｉｆｔｈＳｕｒｖｅｙ＆ＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎａｎｅｘａｍｐｌｅｏｆｗｉｄｅｎｅｄｂｒｉｄｇｅｗｉｔｈａｍａｘｉｍｕｍｗｉｄｔｈｏｆ５５．１６ｍａｎｄａｓｐａｎｏｆ２ｘ４５ｍｉｎＨａｒｂｉｎＣｉｔｙｉｎＣｈｉｎａ，ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｐｅｃｉａｌｓｈａｐｅｄｂｅａｍｓｉｎｃｉｔｙｗｉｔｈｓｕｐｅｒｗｉｄｔｈｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｂｅａｕｔｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｔｈｅｂｒｉｄｇｅｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｓｐｅｅｄｏｆｂｒｉｄｇｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｄｅｔａｉｌｅｄｒｕｌｅｓｆｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｍａｄｅ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅ—ｓｐｅｃｉａｌｓｈａｐｅｄｓｔｅｅｌｂｏｘｇｉｒｄｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｅｗｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈｗａｙｓｔｅｅｌｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｍａｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔｔｕｒｎｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓ，ｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓａｎｄｍａｉｎｓｔｒｅｓｓｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄａｌｓｏｌｅａｖｅｓｏｍｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓａｆｅｔｙｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｕｎｄｅｒｔｈｅｍｏｓｔａｄｖｅｒｓｅｌｏａｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ；ｓｐｅｃｉａｌｓｈａｐｅｄｂｅａｍ；ｇｒｉｌｌａｇｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｂｏｘｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ１引言计算提供参考。目前，我国钢材产量丰富，钢结构因具有材料质量轻、强度高、韧性好、便于加工、可回收等诸多优点在桥梁建设中占有的比例逐年增大。钢箱梁以其独特的优势在中小跨径钢结构桥梁类型中占…有重要地位。本文结合哈尔滨市公铁两用立交桥主线桥与匝道桥连接处２×４５ｍ变宽梁工程实例，进行多方案设比选，并对实施方案进行了板壳有限元分析，得出主要结论，为类似桥型结构设计、——收稿日期：２０１８０３１５作者简介：宋宏祥（１９７３一），男，高级工程师，主要从事桥梁设计方面的工作。２工程背景既有滨北线松花江公铁两用桥建于１９３３年，运营多年后病害严重，上层公路桥已于２００６年１２月２５日封闭，下层铁路桥采取限速、限量运营，但仍存在安全隐患，危及行车安全。滨北线松花江公铁两用桥改建工程位于既有桥下游５０ｍ，该桥位铁路接线与两岸既有铁路衔接，城市道路北岸与松北区规划１４８路相接，南岸与道外区规划北门街相接。工程实施后，将在哈尔滨主城区和松北新区之间形成一条快速通道，有利于哈尔滨市松北新区发展旧Ｊ。本联桥梁位于江南主线桥与上下桥匝道的连接处，铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（０６１３３万方数据・设计咨询・桥宽由３４．５ｍ渐变为５５．１６ｍ，桥梁长度９０ｍ【３Ｊ。３设计标准（１）设计荷载：汽车荷载，城一Ａ级。（２）安全等级：一级，结构重要性系数为１．１。（３）环境类别：Ⅱ类。（４）行车速度：６０ｋｍ／ｈ。４设计方案比选随着我国国民经济的发展，城市桥梁的选型不单是考察其经济指标，更注重设计美观、材料环保、施工方便快捷。鉴于本桥超宽且平面异形的特点，上部结构可采用连续混凝土现浇箱梁或连续钢箱梁两种设计方案。两种方案的优缺点见表ｌ。表１上部结构方案比选项目现浇箱梁钢箱梁美观性梁高大，景观性一般梁高较矮，景观性较好经济指标一般略高现场浇筑，受环境和人为施工质量工厂化预制，容易保证质量因素影响大，不容易保证地基的满堂支架对地基基础有要求，当地地基承载力不需要搭设支架，不受地质适用性条件影响低，需要换填较厚满堂支架施工，施工模工艺成熟，快速，工期较短，施工影响板、支架用量大、工期长，便于工厂化制作。施工时对桥下通行影响大对桥下通行影响小耗能多，环境污染大，不环境影响耗能小，环保，可回收再加工可回收根据比选结果，可以看出，在外观、对既有交通的影响、施工工期等方面，钢结构箱梁明显优于混凝土梁，尤其是针对于本桥超宽、异形的特点，钢结构节段划分灵活、吊装重量轻、拼装快捷更能显示出其优势所在。故本桥选择连续钢箱梁作为其上部结构形式。本桥桥面较宽，为对向行使车道，从改善桥梁横向受力的角度考虑，采用分幅式断面将桥梁分离成２幅。在设计中对变宽箱梁的箱室常有两种划分方式，一种是每跨范围内窄端和宽端箱室数量相同，箱室大小不同的分法，这种方法的优点是每孔范围内刚度渐变较好；另外一种是窄端和宽端箱室大小基本相同，而腹板数量不同的划分方法。该方法导致腹板增加处刚度变化大，容易引起应力集中¨］。本桥设计方案采用第一种箱室划分方法。箱室划分见图１。图１箱室布置（单位：ｍｍ）５钢箱梁结构设计钢箱梁结构设计计算方法，按力学计算可分为弹性设计法和塑性设计法；从可靠度观点看，则分∞为安全系数法和概率论设计法两大类Ｊ。由于本桥位于变宽段，采用偏于安全的容许应力法。根据桥位处现场实际情况，并结合钢结构桥梁的材料特性，上部结构采用变宽单箱多室钢箱梁，跨径组合２×４５１７１，单幅顶板设置２％单向坡，底板与顶板平行布置。本桥左幅桥宽１７．２４～２７．９３ｍ，—右幅桥宽１７．２４２８．１７ｍ。钢箱梁梁高２．０ｍ，悬臂１．５ＩＴＩ，桥面宽由３４．５ｍ渐变至５６．１２ｍ。钢箱梁箱室结合桥梁宽度和桥梁跨度划分，在第一孑Ｌ采用单箱五室，第二孔采用单箱六室。主体结构均采用Ｑ３４５ｑＥ钢材，顶板采用带有ｕ肋的正交异性钢桥面板，底板设条形纵向加劲肋，跨中顶、底板厚度均为１６ｍｍ，局部根据受力需要加厚钢板，腹板厚度全桥均为１６ｍｍ。为确保桥梁结构横向整体性，在按一定间距设置横隔板的同时，在中支点和边支点位置设置加劲横梁，板厚３０ｒｎｍ。此外，为确保局部稳定，腹板及横隔板设置水平和竖直加劲肋。顶板纵向加劲ｕ肋（８ｍｍ厚、高２６ｃｒｆｌ）间距６０～６５ｃｍ布置一道；顶板悬臂部分及底板纵向加劲条肋（１２ｍｍ厚、高１４ｃｍ）间距４０～４５ｃｍ设置一道。腹板竖向加劲肋与横隔板交替布置，间距１．０ｍ，板厚均为１６ｍｍ。箱梁横断面见图２，Ｕ肋与横隔板连接见图３。图２横断面（单位：ｍｍ）３４铁道建箕技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（０６Ｊ万方数据・设计咨询・图３Ｕ肋与横隔板连接（单位：ｍｍ）６节段拼装结合吊装现场情况和钢箱梁的受力特性，设计文件中着重交代了钢箱梁吊装分段原则和现场吊‘装工序６｜。６．１吊装分段按照以下原则对钢箱梁进行分段：（１）所有分段位置及分段接口错缝符合规范要求。（２）充分考虑制造、运输及吊装对钢箱梁节段重量及尺寸的限制，同时必须确保钢梁每个单元体在运输及吊装过程中的结构稳定¨１。（３）考虑并充分减少钢箱梁吊装时对桥下方既有道路的影响。（４）便于现场吊装就位及节段间的组拼合龙。钢箱梁吊装分段平面见图４。图４钢箱梁吊装分段平面（单位：ｍｍ）“”的杆系，把复杂的结构模拟为纵、横相交的空间梁格体系，用这种方法建立的力学模型与结构的实际受力形式相吻合，能直接方便求得结构的内力与变形，既考虑了荷载作用下结构的纵向弯曲和整体扭转，也考虑整个截面的横向变形，但是不能精确反应薄壁结构的约束扭转、畸变以及剪力滞效应【８Ｊ。方法（３）分析模型复杂，能够考虑各种结构受力问题，尤其是对宽跨比较大、高度较小的钢箱梁异形桥，是最准确可靠的分析方法一Ｊ。故针对本项目钢箱梁超宽且异形的特点建立板单元模型进行结构受力分析。７．２设计参数（１）钢材钢材（Ｑ３４５ｑＥ）：弹性模量Ｅ＝２．１Ｘ１０５ＭＰａ，剪切模量Ｇ＝０．８１Ｘ１０５ＭＰａ，热膨胀系数１．２ｅ．５。（２）混凝土墩柱（Ｃ４５）：弹性模量Ｅ＝３．３５×１０４ＭＰａ，泊松比０．２，热膨胀系数１ｅ－５。７．３设计荷载（１）结构自重：钢材密度按照７８．５ｋＮ／ｍ３。（２）二期恒载：包括铺装层及防撞护栏，其中混凝土调平层容重按照２５ｋＮ／ｍ３，沥青混凝土容重按照２３ｋＮ／ｍ３，换算为压力４．８ｋＮ／ｍ２加载。防撞护栏路线外侧按照１３．５ｋＮ／ｍ计，内侧６．７５ｋＮ／ｍ计。（３）汽车荷载：荷载等级为城一Ａ级设计，其荷载取值按照《公路工程技术标准》（ＪＴＧ—１３０１２０１４）。按最不利４～７车道荷载考虑，活载加载考虑１．０５的增大系数（活载车道已考虑偏置）。汽车冲击系数参照《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧ—Ｄ６０２０１５）４．３．２计算。６．２施Ｔ＇ｒ序（４）沉降：同排支座按照１０ｍｍ沉降考虑。在永久墩及临时支墩施工完成后，纵向按照从℃（５）温度：哈尔滨地区最高温度为３９．２，最中间墩位置向边墩位置，横向按照先靠近道路中心℃—℃低温度一３８．１，施工温度１０２０之间，故结构线位置后远离中心线位置的顺序进行钢箱梁各节℃℃整体升温按照４０计，整体降温按照一６０计。段的吊装、拼接。℃℃梯度升温５．５，梯度降温一２．７５。７计算分析规范雾篇嚣黧薯篙嚣瓮糯警毳搿７．１计算理论恒荷载计算高度为梁高＋防撞护栏。目前桥梁结构分析常用的方法主要有以下几种：（７）地震：基本地震烈度６度，抗震措施设防等（１）空间梁单元模型；（２）梁格模型；（３）三维实体、板级７度，地表峰值加速度Ｏ．０５ｇ。壳单元模型。方法（１）对采用空间梁单元结构离散７．４计算模型是一种简单实用的平面杆系分析方法，容易掌握；缺７．４．１建模原则点是不能考虑宽桥的横向效应，使用时要求桥梁的宽（１）用板单元建立全桥模型。跨比不能太大。方法（２）将横断面分割成几个纵梁（２）计算模型中考虑加劲板的影响，等效板厚铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０７８ｆＤ６Ｊ３５万方数据・设计咨询・按照面积、惯性矩一致的原则进行截面的换算。（３）同一墩位处支座按照同时沉降考虑，不考虑同排支座不同时沉降引起的横向附加应力。７．４．２计算模型取相对较宽的左幅桥作为研究对象，采用空间有限元软件ｍｉｄａｓｃｉｖｉｌ计算，按板单元建模ｍ１，将结构离散为４９６３个单元。模图５ＭｉｄａｓｃｉｖＩｌ板单元模型型见图５。７．５主要计算结果与分析７．５．１主梁应力标准组合作用下的钢梁正应力、剪应力、Ｍｉｓｅｓ…应力分别见图６一图８Ｊ。（１）标准组合下最大正应力■ｌＨｌ’‘Ｉ：－图６标准组合作用下最大正应力云图‘－悖＠图８标准组合作用下ｙｏｎ－Ｍｉｓｅｓ应力云图表２主梁应力计算结果汇总ＭＰａ荷载组合正应力剪应力ＶＯＨ．Ｍｉｓｅｓ计算值１１５．６８８．３１６５．４标准组合容许值２７０１５５２７０可以看出，主梁在各荷载组合下的应力均满足设计规范的要求，且有一定富余度。（４）腹板弯剪作用由规范中关于平面内受弯实腹式构件腹板在正应力和剪应力共同作用时应满足式（１）要求的规定：√≤ｙ。时＋㈡－㈩即：¨≤Ｘｋ／（１ｌＯ＂８］ｚ＋（等）２＝０．５７・８８．３ＭＰａ，发生在中支点附近。图９活载位移云图—（３）标准组合下ｙｏｎＭｉｓｅｓ应力由图８可以看出：在标准组合下，有效拉应力最主梁在静活载下竖向挠度为２０．３ｍｍ，小于规大值为１６５．４ＭＰａ。范要求Ｌ／５００＝９０ｍｍ，满足要求¨２｜。计算结果汇总如表２所示。（下转第６３页）３６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０７８＾粥Ｊ≯釜｝装蒜嚣瓮二ｍ｝山鳖墓潼麓茹善羚一。堂～曦。晏墨孓监孚篡鎏篆象～二－卜Ｌ憋馘瓣竺争噩乳■■■案一日日ｎ篙嚣再嚣一Ｈ～万方数据・隧道／地下工程・（４）由于塑性区矢量线最密集的区域主要在掌子面前方核心土６ｍ及其周边４～５ｍ范围，因此小导管预注浆加固采用的注浆圈的范围为５ＩＴＩ。该工法进行隧道开挖，达到稳定后，初支的最大弯矩和最大轴力大大减小，即使同时考虑抗弯和抗压，结构受力是安全的。采用该方法施工后，掌子面的最大挤出变形显著减少，因此，能够在很大程度上保证掌子面稳定。以上几点在大坂山隧道的高应力富水环境下施工中得到了很好的运用，围岩得到了有效控制，整个施工过程中未发生一起安全、质量、生产事故。表明，大坂山隧道的高应力富水环境下施工是比较成功的。参考文献［１］［２］［３］郭中华．富溪双连拱隧道偏压处数值模拟及施工技术—研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２００９（７）：９３９６．任长吉，黄涛．裂隙岩体渗流场与应力场耦合数学模型的研究［Ｊ］．武汉大学学报（工学版），２００４，３７（２）：８一１２．陈建申．隧道初期支护大变形处理技术［Ｊ］．铁道建筑（上接第３６页）８结论通过哈尔滨市公铁两用立交桥变宽段２×４５ｍ钢箱梁的设计分析可以得出如下结论：（１）钢箱梁在城市变宽段桥梁跟钢筋混凝土箱梁相对，在环境保护、人文景观以及质量可控等方面更具比较优势，在我国城市变宽桥梁建设中有着广阔的应用前景。（２）超宽桥梁在受力特性方面存在的劣势，采用在中央分隔带处将桥梁结构一分为二的方法，能够将桥梁宽度的影响降到最低；变宽钢箱梁采用了箱室大小均匀变化、箱室数量相等的划分方式，更契合了变宽钢桥的受力特点。（３）变宽钢箱梁采用板单元计算方法，计算结果精确。虽然工作量较其他方法略大，但是随着计算机科学的进步，和其他计算方法在设计效率上的差异正变得越来越小。参考文献［１］李富文，伏魁先，刘学信．钢桥［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９２：３０．铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ—技术。２０１４（２）：４３４６．［４］赵菁菁．超前小导管注浆等效模拟及参数设计研究［Ｄ］．广州：华南理工大学，２０１５．［５］朱冠生．城市建筑密集区及富水岩层环境条件下的城轨—隧道施工技术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１ｌ（５）９８１００．［６］王嫒，徐志英，速宝玉．复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００，１９（２）：—１７７１８１．［７］马时强．酋水隧道围岩大变形及支护结构数值模拟研—究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００９，５（３）：４９４４９８．［８］李昌宁．新疆北天山富水隧道施工中重难点分析及技—术措施［Ｊ］．工程地质学报，２０１７，１５（ｓ１）：１１２１１５．［９］和万春，雷军，韩现民，等．旧堡隧道富水断层带安全施工技术（精）［Ｍ］．北京：人民交通出版，２０１２．［１０］刘彦文．隧道穿越采空区同时下穿既有隧道设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（４）：１３～１６．［１１］重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范：ＪＴＧ—Ｄ７０２００４［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．［１２］铁道部第二工程局．铁路工程施工技术手册隧道（上、下册）［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００７．［２］中铁第五勘察设计院集团有限公司．滨北线松花江公铁两用桥改建工程［Ｒ］．北京：中铁第五勘察设计院集—团有限公司，２０１６：２５．［３］周凤先．滨北线松花江公铁两用桥改建工程市政桥梁“方案设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（２）：５９一．［４］方桂芬．西运线（６４＋６８＋６４）ｍ连续钢箱梁设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（２）：ｌ一３．［５］贾高炯．钢箱梁桥设计［Ｍ］．北京：人民交通出版社股份有限公司，２０１６：１１．［６］谢金康．钢箱梁现场拼装施工技术［Ｊ］．铁道建筑技—术，２００９（１０）：７０７２．［７］李俊．大吨位钢箱梁段在城市复杂环境下的运输与安—装施工技术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（６）：６８７１．［８］徐海军，冷金荣．城市高架桥异形宽箱梁空问结构分—析［Ｊ］．结构工程师，２０１０（２）：７０７５．［９］何嘉，李睿，周亦唐，等．异型箱梁桥受力特点分析［Ｊ］．—昆明理工大学学报：理工版，２０１０（４）：４４５０．［１０］苏彦江．钢桥构造与设计［Ｍ］．成都：西南交大出版社，２００６：４０．［１１］中华人民共和国交通运输部．公路桥涵设计通用规范：ＪＴＧＤ—６０２０１５［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１５．［１２］中华人民共和国交通运输部．公路钢结构桥梁设计规范：ＪＴＧＤ—６４２０１５［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１５．２０１８ｆ０６Ｊ万方数据