小半径曲线连续钢箱梁大横坡腹板应力分析[1]

小半径曲线连续钢箱梁大横坡腹板应力分析[1]

许春雷

核工业西南勘察设计研究院有限公司 四川成都 610000

摘要：本文以某一级公路R=210.85m小半径曲线连续钢箱梁右幅为研究对象，考虑5%实际大横坡及不同横坡情况下，借助有限元软件ANSYS建立三维空间模型对钢箱梁进行结构分析，探讨横坡对钢箱梁结构腹板应力的影响，并与MIDAS软件计算结果进行对比分析。[2]

关键词：连续钢箱梁；小半径曲线；横坡效应

0. 概述

随着我国经济的不断发展，钢结构桥梁在工程建设中的比例不断增加。钢箱梁结构具有良好的力学性能和较好的适应性，特别是在不规则变宽、异形结构中应用十分广泛。

钢箱梁为闭口薄壁型截面，荷载作用下剪应力计算为多次超静定问题，应按照薄壁理论进行分析计算，腹板在翼缘与腹板连接处的挠度和应力通常较大，而剪力滞效应也与腹板布置间距息息相关。

对于曲线桥梁，由于“弯扭耦合”效应明显，通常外侧超载、内侧卸载，特别是在偏载作用下，曲线梁的扭转效应将进一步加剧。小半径曲线钢箱梁的超高横坡较大，对于宽箱梁，左右腹板在荷载作用下的内力及变形不一致，由于截面的约束作用，会引起应力重分布而更加复杂。探讨横坡对钢箱梁结构腹板应力及变形的影响，是十分必要的。

1. 工程简介

某一级公路右幅连续钢箱梁桥跨布置为(40+60+40)m，位于半径为R=210.85m的小半径圆曲线上。梁高沿纵向不变，结构中心线处梁高为3m，采用吊装施工。钢箱梁顶宽13.75m，腹板位置尽量避开车轮轨迹线。钢箱梁采用单箱双室截面，左侧悬臂长1400mm，右侧悬臂长1900m，共计3道腹板，箱室宽度分别为4550mm及5900mm。桥梁横坡5%，底板水平，通过调节腹板高度实现顶板倾斜。

钢箱梁按照内力分布，对所采用顶底板厚度进行区分，在支点附近采用30mm厚钢板，其余部位采用16mm厚钢板。腹板厚度依据承受剪力大小，从16mm厚变化至20mm厚。              下部结构桥墩采用柱式墩，墩台采用桩基础。

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图1 钢箱梁总体布置图

2. 结构分析

本文以某一级公路曲线连续钢箱梁为工程实例，选取箱梁典型横断面建立ANSYS有限元模型，钢箱梁钢材采用Q355C，计算模型采用shell181有限应变壳单元模拟，用四边形单元映射网格划分进行结构分析。为研究不同横坡模式下腹板应力与位移的变化，分别建立横坡为0%5%的箱梁截面模型，模拟分析钢箱梁在自重、二期、车辆荷载等作用下的应力结果。

图2 空间分析计算模型

2.1计算结果

在恒载及车辆荷载作用下，腹板最大剪应力如下表所示，腹板编号从曲线内侧至外侧依次编号。

从表格数据可以看出，曲线最内侧1号腹板随着横坡增大，腹板应力逐渐减小，呈反相关；2号及3号腹板随着横坡增大，腹板应力逐渐增大，呈正相关。1号腹板应力极差为10.7MPa，不超过平均值的30%，变化幅度为7.2%；2号腹板应力极差为6.5Mpa，不超过平均值的30%，变化幅度为4.6%；3号腹板应力极差为44.1MPa，不超过平均值的30%，变化幅度为23.7%。在横坡一致的情况下，随着横坡的增加，各腹板应力的差异随之增加，且曲线外侧腹板应力比内侧腹板应力大。

本项目横坡为5%的工程实际情况下，最内侧腹板应力为137.6MPa，最外侧腹板应力为186.2MPa，极差为48.6MPa，为平均值的30.9%，变化幅度为26.1%。由此可见，曲线连续钢箱梁腹板应力分布受横坡影响较大。横坡越大，腹板应力分布不均匀程度呈正相关。

根据Midas与ANSYS计算结果对比分析可知，横坡为5%的情况下，ANSYS计算得到的腹板平均应力与Midas计算得到的应力差别不大，但与最大值相差36.3MPa，变化幅度为19.5%。Midas计算结果能较真实反映腹板平均应力，但不能揭示腹板应力分布情况，且与最大值存在一定差异。

2.2结果分析

本项目为曲线连续钢箱梁结构，曲率半径较小，横坡效应明显。钢箱梁截面在扭转荷载作用下，产生扭转变形及截面畸变，因截面畸变导致的横向弯曲应力不可忽略不计。曲线连续钢箱梁结构在横坡较大的情况下，外侧腹板高度较内侧腹板高，且受到较大的离心力及冲击作用，加之扭转畸变的作用，外侧腹板应力较大。

3. 结论与建议

本文以某一级公路右幅连续钢箱梁桥为工程实例，利用ANSYS建立三维空间板壳模型按不同横坡进行结构分析，可以得到以下结论与建议：

（1）曲线连续钢箱梁腹板应力随横坡的增大，内外侧腹板应力分布不均匀情况越明显，且呈正相关。

（2）根据ANSYS模型与Midas模型横向对比分析可知，Midas杆系模型能较好地反映截面腹板的平均应力，但与最大值存在一定差距。

（3）在结构分析计算时，对于薄壁钢箱梁结构，由于杆系模型不能完全真实反映结构的应力状态，对应力的指标的限制，一般可控制在最大允许值的80%以内是比较安全的。

参考文献[5]

[1]黄东.曲线钢箱梁的有限元仿真分析研究.西南交通大学硕士学位论文，2005

[2]项海帆.高等桥梁结构理论.人民交通出版社，2001

[3]同根树，许强.薄壁曲梁线性和非线性分析理论.科学出版社，2004

[4]李权.ANSYS在土木工程中的应用.人民邮电出版社，2005

[1]文章字符数4500-4600字符数以上

[2]补充到160字符数以上

[3]换高清图

[4]换高清图

[5]参考文献格式不对  修改