大跨度悬索桥扁平钢箱梁受力特性分析

大跨度悬索桥扁平钢箱梁受力特性分析
陈清华
【摘要】流线形扁平钢箱梁在大跨度缆索支承桥梁中应用广泛,由于其直接承受车载作用,因此,正交异性桥面结构的受力状态倍受关注.为研究大跨度悬索桥流线形扁平钢箱梁在车辆荷载作用下的受力性能,以主跨600 m的中渡长江大桥为研究对象,基于大型有限元分析软件ANSYS建立该桥的三维有限元局部计算模型,分析多种车辆荷载工况下大跨度悬索桥钢箱梁各关键部位的应力水平及分布.分析结果表明:该桥正交异性桥面结构的绝大部分位置在各种不利车辆工况下,应力水平都较低;局部位置虽有较大应力集中,但仍小于屈服应力.在此基础上,分析大跨度悬索桥钢箱梁结构在车辆作用下的受力特点.%The streamlined flat steel box girder is widely used in large span cable supported bridges.In order to study the long-span suspension bridge of streamlined flat steel box girder under vehicle load bearing performance, the three-dimensional finite element model of the Zhongdu suspension bridge is established by using large-scale finite element analysis software ANSYS.The stress level and distribution of large span suspension bridge steel box girder under the vehicle load are being analyzed.The result shows that most of the stress level is relative low, and local high stress positions have the phenomena of stress focus but still within the material yield limit.On this basis, this paper summarizes the large-span suspension bridge steel box girder structure on the mechanical properties under the action of vehicle.
【期刊名称】《交通科技与经济》
【年(卷),期】2017(019)001
【总页数】5页(P59-63)
【关键词】大跨度悬索桥;钢箱梁;车辆荷载;受力状态
【作者】陈清华
【作者单位】广州瀚阳工程咨询有限公司,广东广州 510620
【正文语种】中文
【中图分类】U445.462
由于流线形扁平钢箱梁具有突出优点，因此，现代大多数大跨度缆索支承桥梁大都采用流线形薄壁扁平钢箱梁。

此类钢箱梁，正交异性板除作为桥面外，还是主梁截面的组成部分，它既是纵横梁的上翼缘，又是主梁的上翼缘。

车辆荷载直接作用在主梁上，使得大跨度扁平钢箱梁结构在车辆荷载作用下的受力状态倍受桥梁工程界的关注[1-6]。

本文以中渡长江大桥钢箱梁为研究对象，利用有限元分析其在车辆荷载作用下的受力特性。

1.1 总体布置
中渡长江大桥主桥为主跨600 m的双索面悬索桥，桥跨布置为50 m+600 m+65 m，位于0.75%单向纵坡上，平面位于直线段上。

主桥加劲梁采用扁平型钢箱梁，梁高3.0 m，主缆横向间距26.7 m，主缆矢高66 m，矢跨比1∶9.09，吊索间距12 m。

桥塔是由两个塔柱、上下横梁组成的门式框架结构，图1为桥型的立面图。

1.2 钢箱梁构造
钢箱梁主体结构均采用Q345qD钢，加劲梁采用正交异性板流线型扁平钢箱梁，
标准梁的段长为12 m，梁高3.0 m，宽(含人行道)33 m。

顶板厚16 mm，U形
加劲肋厚8 mm，底板厚12 mm，吊耳板厚50 mm。

标准段钢箱梁节段内设2道实腹式横隔板及2道框架式横隔板，为加强桥面板刚度，减少桥面板变形对铺装层的不利影响，横隔板间距确定为3.0 m、横隔板厚
12 mm(吊索处承力板为40 mm)。

横隔板上均设置过人孔，使各个箱室均可连通，以便检修人员检查箱梁内的各处构件。

与边跨钢箱梁相邻的三个梁段，构造基本与其他标准段相同，但顶底板厚度分别增加至30 mm、26 mm，以承受桥塔附近的较大主梁弯矩。

边跨钢箱梁构造基本与主跨相同，但在距钢箱梁中心线约7.8 m
处各设置一道纵向隔板，纵隔板厚12 mm。

钢箱梁与吊索的连接采用销接式。

吊耳板上布置三个吊索销孔，其中吊索中线两侧的两个孔用作吊索销接时使用，第三个孔在吊索更换时使用。

根据加劲梁的长度、梁段运输条件、吊装能力等因素，主跨钢箱梁单元制造划分为49个吊装段，即跨中吊装段(1个)、A和B类标准吊装段(46个)、合龙段(2个)。

其中标准吊装段12 m，合拢段为标准梁段，长12 m，标准段的钢材用量为175.23 t。

2.1 车辆荷载
车辆荷载采用《公路桥涵设计通用规范》(JTJ D60-2004)中的车辆荷载。

车辆荷
载550 kN，其中，前轴为30 kN，中轴为2×120 kN，后轴为2×140 kN[7]。

冲击系数按照规范局部加载取为1.3，偏于保守，不考虑桥面铺装对轮压受载面(纵向0.2 m×横向0.6 m)的扩散作用。

2.2 加载工况
为分析桥面板、吊索横隔、实腹式非吊索横隔和空腹式非吊索横隔的各自最不利受力状态，分别对其按最不利情况进行加载。

4种工况对应的横桥向位置如图2所示，纵桥向位置如表1所示。

横向布置：车辆横向布置考虑最不利的6车道居中加载，两列车之间的轮距按照
规范取1.3 m(车身净距为0.6 m)。

3.1 模型介绍
纵向取两根吊索的中间范围+两侧各3.5 m，共19 m范围建模；横向根据对称性取一半结构。

采用大型通用有限元分析程序ANSYS11.0对钢箱梁所选范围进行建模计算，全部采用SHELL63单元。

根据对称原理，仅取横桥向一半结构进行计算。

为方便建模，对结构作以下简化：
模型采用映射+自由网格划分，块单元形状为四边形，单元尺寸控制值为0.4 m。

共计约46.2万节点、47.1万单元。

有限元模型如图3所示。

3.2 边界条件模拟
工况1～4：加劲梁吊索位置的节点约束竖向自由度，横桥向对称面上节点约束横
桥向位置，一侧梁体截断面上节点约束顺桥向刚体位移。

本章列出桥面板、吊索横隔、实腹式非吊索横隔和空腹式非吊索横隔的最不利车载作用下主要计算结果。

4.1 工况1(桥面板最不利布载)
顶板及顶板纵肋：最大应力集中为169 MPa，发生在横梁正上方的桥面板位于板
肋过焊孔位置；两根横梁中间区域的最大应力约为50～80 MPa。

底板及底板纵肋：底板纵肋的最大应力集中为290 MPa，发生在底板最外侧U肋，位于横梁过焊孔处，范围很小。

除去过焊孔位置的应力集中点，底板应力均在50 MPa以下，如图4、图5所示。

4.2 工况2(吊索横隔最不利布载)
吊索横隔在纵肋过焊孔位置均存在应力集中，最大为309 MPa，发生在底板最外
侧一条U肋过焊孔处。

除去过焊孔位置应力集中点外：电缆洞处的横梁应力约为60～100 MPa，其他区域的应力均处于50 MPa以下，如图6、图7所示。

4.3 工况3(无吊索实腹式横隔板的最不利布载)
无吊索实腹式横隔板在纵肋过焊孔位置均存在应力集中，最大为260 MPa，发生在底板最外侧一条U肋过焊孔处。

除去过焊孔位置应力集中点外：电缆洞处横梁应力约为40～70 MPa，其它区域的应力均处于40 MPa以下。

如图8、图9所示。

4.4 工况4(无吊索空腹式横隔板的最不利布载)
无吊索空腹式横隔板的最大应力集中为310 MPa，发生在横隔3空腹区域外侧上端的转角处。

纵肋过焊孔处虽然仍存在一定的应力集中，但较实腹横隔相比要小很多，最大仅为175 MPa。

除去以上两处应力集中点外，其它区域的应力均处于40 MPa以下。

如图10、图11所示。

通过对主跨为600 m的中渡长江大桥建立局部有限元模型，分析桥面板及各类横隔板在各自最不利车辆布置下的受力性能，得出以下结论与建议：
1)从整体看，钢箱梁除去板件交接部位和开孔部位，其余绝大部分位置在各种不利车辆工况下的应力水平都较低，远小于材料的屈服应力。

2)在纵肋与顶、底板相交处，以及纵肋过焊孔处等部位存在局部应力集中现象，最大应力约为310 MPa，但仍小于屈服应力，且出现的范围较小。

3)对于大跨度缆索承重桥梁而言，车辆荷载的集中程度是导致顶板应力增大的重要因素之一，因此，必须对通过大桥的挂车、超重车等进行限制与评估。

4)顶、底板的U肋均出现不同程度的拉压应力交替，应作为疲劳损伤研究的重点
部位。

【相关文献】
[1] 王浩，李爱群，郭彤,等.车载作用下大跨度悬索桥钢箱梁受力状态的实验研究[J].实验力学,2009，24(1)：27-34.
[2] 李海,姚志安.悬索桥钢箱梁桥面正交异性板局部承压试验与理论分析[J].交通科技,2011(6):4-7.
[3] 李立峰，邵旭东．正交异性闭口加劲板的承载力分析理论及试验研究[J]．土木工程学报，
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[5] 李爱群．润扬大桥静动载试验报告[R]．南京：东南大学土木工程学院，2005.
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