分离式大悬臂钢箱梁力学空间效应分析

沈钱斌

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

分离式大悬臂钢箱梁力学空间效应分析

沈钱斌

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

分离式箱形断面是钢桥中普遍采用的结构形式，应用于城市高架主线桥时，由于桥下地面道路通行和景观需求，往往会形成横向大悬臂结构，力学空间效应明显。以太原市卧虎山快速路建设工程中某两跨连续钢箱梁为例，利用A ba q u s有限元工程模拟软件建立全桥三维板壳单元模型，分析其在典型荷载下的空间力学性能，包括剪力滞效应、活载偏载效应、支点横梁应力，并与单梁模型进行对比，为同类桥梁的设计和简化分析提供参考。

分离式；大悬臂；钢箱梁；空间效应；有限元

0 引言

在城市高架桥梁的建设中，当需要跨越横向道路、河流等障碍物时，桥梁施工空间往往会受到限制。在这种情况下，钢结构桥梁由于可采用预制拼装的施工工艺，常常会被作为一种极具竞争力的比选方案。城市高架主线桥桥面一般较宽，通常要达到20多米甚至30 m左右。当需要利用桥下空间作为地面道路时，桥墩需设置在道路的中央分隔带内，分隔带的宽度一般为8～10 m，因此桥梁在横向会形成大悬臂结构，悬臂尺寸一般会在10m左右。另外，城市高架桥梁的景观需求较高，结构线条不宜太笨重。为了使行人在桥下通行时感觉不过于压抑，桥梁底板也不宜过宽。因此，当选择钢箱梁方案时，常常会采用带大悬臂的箱梁结构。

整体式（单箱多室）断面的钢箱梁在城市高架桥中运用较多，其力学性能通过数值模拟的方法已得到较为充分的了解。分离式断面的钢箱梁由于其在运输和经济方面的优越性，在公路和铁路桥梁上运用较多。因为其桥下空间往往不受限，可以在桥墩上设置盖梁并在箱体的下方摆放多个支座，使受力接近于简单的平面状态。在城市高架主线桥上应用分离式钢箱梁时，由于桥下净空的限制，支座会设置在箱体范围外，从而形成复杂的空间应力状态。因此，有必要对该类结构进行深入的空间效应分析，充分了解其受力性能[1]。

1 工程背景

卧虎山快速路是太原北部地区的一条快速通道，其高架主线标准桥宽23.5 m，双向六车道。主线桥为预应力混凝土连续箱梁，采用大悬臂流线形断面。主线桥在跨越地面某构筑物时，采用了50 m+50 m的连续钢箱梁，梁高2.0 m，与混凝土梁同宽，支座横向间距为5.8m，悬臂。钢箱梁为双箱单室分离式断面，单个箱室顶宽4.1 m，底宽3.6 m，采用斜腹板，两个箱室的净距为7.6 m，箱室外的挑臂长度为3.85 m。钢箱梁纵向间隔2 m设置一道隔板，其中间隔6 m设置一道实腹隔板，其余为空腹隔板。挑臂加劲板间距2 m，加劲板端部高度0.4 m，根部高度1.0 m。空腹隔板处，两箱室之间的横隔板高度为1.5 m，空腹隔板及中墩处断面如图1所示。

图1 1/2空腹隔板断面图

箱梁顶板厚16mm，在支点处加厚至28mm；底板厚20mm，在支点处加厚至32mm；腹板厚18mm，在支点处加厚至25 mm；横隔板厚12 mm，在支点处加厚至28 mm。顶板纵向加劲肋主要采用U形肋，在靠近悬臂端部时采用I形肋，底板纵向加劲肋采用I形肋。

2 计算模型建立

计算模型的建立采用A ba q u s有限元工程模拟软件，其“部件+组装”的建模方法与钢结构桥梁的建造方法相似。运用S4R单元（四节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元）建立全桥三维板壳模型。边界条件通过软件的分布耦合功能进行模拟，相比对单个节点进行约束，可以达到既能释放转角约束，又不会在支座处出现与实际不相符合的应力集中现象，如图2所示。钢材采用Q345qD，材料参数按规范取值。荷载的施加包括钢箱梁自重、二期荷载和汽车荷载。

图2 钢箱梁全桥部件组装图及支座底钢板分布耦合边界图

3 钢箱梁空间力学效应

本文通过空间板壳模型与纵、横向单梁模型进行的对比分析（单梁模型由M id a s软件建立），从以下几个方面来论述钢箱梁的力学空间效应。

3.1 空间板壳模型与纵向单梁模型的对比

钢箱梁受力时存在剪力滞效应，即顶、底板应力在断面上分布不均匀。单梁模型通过翼缘有效宽度或剪力滞系数近似考虑这种影响，可参见《公路钢结构桥梁设计规范》（J T G D64—2015）（以下简称《钢桥规》）第5.1.8条[4]。空间模型则可以更为直观地观察到剪力滞效应，图3和图4为板壳模型的两个控制断面（中支点处和跨中距边支点18.5 m处）在恒载作用下的顶底板应力分布图。

图3 恒载作用下中支点处顶底板应力分布图

图4 恒载作用下距边支点18.5 m处顶底板应力分布图

图3和图4表明，此类钢箱梁在中支点处的剪力滞效应明显，经计算，顶板的剪力滞系数为1.407，底板的剪力滞系数为1.335。距边支点18.5m处剪力滞效应相对缓和，顶板的剪力滞系数为1.090，底板的剪力滞系数为1.032。剪力滞系数为断面应力峰值与平均值的比值[2]。

板壳模型和单梁模型的应力对比数据见表1，单梁模型根据规范考虑翼缘有效宽度后，基本与板壳模型接近，并有一定的安全余量。

表1 恒载作用下顶、底板应力MPa

图5和图6为板壳模型的两个控制断面（中支点处和距边支点21.5 m处）在汽车荷载作用下的顶底板应力分布图。实线为六车道横向左偏工况，虚线为横向对称加载，纵向均按影响线最不利工况布置。

图5 汽车荷载作用下中支点处顶底板应力分布图

图6 汽车荷载作用下距边支点21.5m顶底板应力图

图5和图6表明，在汽车偏载作用下，顶底板的应力峰值将大于对称加载的工况。在最不利工况下，中墩顶板偏载系数为1.08（偏载工况应力峰值与对称工况的比值[2]，下同），底板偏载系数为1.12；距边支点21.5 m处，顶板偏载系数为1.09，底板偏载系数为1.08。可见，本桥虽然宽跨比接近1/2，根据常规工程经验，横向偏载系数会大于1.15，但计算发现控制断面的偏载系数均小于1.15，原因在于该桥横向刚度比较大的，两分离箱室间的刚性横隔板的高度为1.5 m，跨高比为1/5。

3.2 空间板壳模型与纵向单梁模型的对比

大悬臂钢箱梁的横向计算内容主要包括桥面板、横梁内力及悬臂位移等，本文主要针对支点横梁应力进行分析。支点横梁的简化平面分析就是建立横向单梁模型，对于本桥，支点横梁即简化为双支点的悬臂梁，横梁截面为顶底板带翼缘的箱形截面[3]，如图7所示。

图7 中支点横梁单梁模型（单位：MPa）

单梁模型加载时，恒载作为集中力直接加载到腹板位置，汽车荷载通过横向移动荷载施加。板壳模型的汽车荷载按照支点断面处应力最不利加载，即在悬臂端部范围加载2个车道。图8为单梁模型在汽车荷载的作用下，顶底板最大应力包络图。两种模型的应力对比数据见表2。

图8 汽车荷载作用下顶底板应力包络图（单位：MPa）

表2 横梁支座处应力对比表MPa

由表2知，单梁模型由于对荷载加载模式进行了简化，所以应力值与空间模型存在较大差异，这也跟结构的特点密切相关。对于恒载，单梁模型的顶板应力要高于板壳模型，原因在于前者对顶板宽度的选定比较难把握，本文顶板翼缘宽度取横隔板间距的1/2；单梁的模型底板应力要小于板壳模型，这个原因主要是对于这种分离式大悬臂结构，横梁处底板的宽度是有限的，把恒载直接施加在腹板位置偏于不安全。因为挑臂的顶板加劲肋也可以传递剪力，且相对于支点的力臂更大，这一点是设计中需要关注的。对于汽车荷载，单梁模型的计算结果总体上是偏保守的，因为跨中汽车荷载的传递路径并非是完全纵向，简化处理会导致挑臂范围的应力特别大，这其实是失真的，在计算中一般会忽略此部分的效应。

4 结语

（1）通过对钢箱梁全桥板壳模型计算分析得到：在恒载及汽车荷载作用下，大悬臂连续钢箱梁的顶底板会出现剪力滞效应，即顶底板在腹板处的应力会高于其他区域，导致整个断面上应力分布不均匀。中支点的剪力滞效应尤为明显，跨中最大正弯矩处断面剪力滞效应趋于平缓。

（2）根据板壳模型的断面应力得到：恒载作用下中支点的剪力滞系数顶、底板分别为1.407和1.335，跨中最大正弯矩处分别为1.090和1.032。单梁模型按《钢桥规》考虑翼缘有效宽度后，顶、底板应力略大于板壳模型，因此通过折减翼缘有效宽度的方法来考虑剪力滞效应对此类结构是合适的。

（3）在汽车偏载作用下，钢箱梁顶、底板会出现应力不均匀，与常规的混凝土桥梁不同的是，对于宽跨比较大的钢箱梁，在横向刚度较大的情况下，偏载系数将小于混凝土桥梁的工程经验值（即宽跨比不大于1/2时取1.15，大于1/2时取1.25）。

（4）通过对板壳模型和单梁模型的对比分析得到：对于大悬臂分离式钢箱梁的横梁计算，单梁模型将恒载施加到腹板位置的简化方法是不合适的，计算得到的结果对底板应力偏于不安全，建议将一定比例的恒载作为均布荷载施加到悬臂上。另外，在单梁上模拟汽车荷载横向移动的简化方法，计算得到顶、底板应力要比板壳模型大40%～100%，而且悬臂下翼缘的压应力是失真的，因此对此类结构的横梁进行空间应力分析是必要的。

[1]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]魏华.大悬臂弧形腹板钢箱梁剪力滞效应和偏载效应分析[J].上海公路，2012（3）：49-52.

[3]熊礼鹏.宽箱连续钢箱梁桥支点横梁空间受力分析[J].交通科技，2014（2）：1-3.

[4]J T G D64—2015,公路钢结构桥梁设计规范[S].

U441

A

1009-7716（2017）06-0084-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.024

2017-03-07

沈钱斌（1981-），男，上海人，工程师，从事桥梁设计工作。