东平水道斜拉桥钢箱梁设计研究

张　上,苏　伟,尹春燕,周岳武

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津　300142)



东平水道斜拉桥钢箱梁设计研究

张上,苏伟,尹春燕,周岳武

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津300142)

摘要：跨东平水道特大桥为独塔双索面钢-混混合梁斜拉桥,跨径组成为(35.0+260.0+51.5+66.0+62.5)m。钢主梁采用分离式流线形扁平钢箱梁,正交异性钢桥面板。对钢箱梁剪力滞,桥面系二、三体系应力,钢箱梁扭转等问题进行研究,确保结构受力安全可靠。同时,通过数值分析验证了设计的可靠性。此设计符合技术先进、安全可靠、经济合理等设计原则,其构造形式及分析方法可供类似结构借鉴。

关键词：斜拉桥；钢箱梁; 剪力滞;设计

1概述

1.1工程概况

跨东平水道特大桥为佛山市南海区新型公共交通为跨越东平水道而设。本桥采用独塔双索面钢-混混合梁斜拉桥，跨径组成为(35.0+260.0+51.5+66.0+62.5) m，主桥长475.0 m；桥面布置为：双向6车道公路+2线轨道交通+两侧人行道，总桥面宽46.5 m。钢主梁采用分离式流线形扁平钢箱梁，混凝土主梁采用分离式预应力混凝土箱梁。索塔横桥向采用“A”字形，为混凝土塔，桥面以上塔高124.8 m，桥面以下塔高22.0 m。斜拉索采用高强钢丝拉索，采用扇形布置，钢梁侧索距为9.0 m，混凝土梁侧索距为6.0 m，索塔上索距约2.0 m。本桥采用墩-塔-梁固结结构体系，全桥立面见图1。

1.2钢箱梁构造

东平水道斜拉桥主梁采用等高度钢箱-混凝土混合梁。主跨采用抗风性能好、整体性强、线条优美的分离式流线形扁平钢箱梁，分离钢箱之间由密布工字形横梁连接，横梁上设置正交异性钢桥面板。桥面板厚16 mm，箱梁底板厚14 mm，纵腹板厚14 mm或16 mm。钢箱梁标准截面见图2。

图1　斜拉桥桥梁立面

图2　钢箱梁标准截面(单位：cm)

2正交异性钢桥面板的受力分析

正交异性板在桥梁结构中承担多种作用，既是纵横梁的上盖板，又是把桥面荷载传递到横梁和主桁上的构件，同时又参与主桁的整体受力，薄壁扁平钢箱梁钢桥面板设计时按以下3个基本结构体系进行研究。

第一体系：由顶板和纵肋组成的结构系看成是主梁的一个组成部分，参与主梁共同受力，称为主梁体系。

第二体系：由纵肋、横肋和顶板组成的结构系，顶板被看成纵肋、横肋上翼缘的一部分。第二体系起到了桥面系结构的作用，把桥面上的荷载传递到主梁和刚度较大的横梁，称为桥面体系。

第三体系：本结构系把设置在肋上的顶板看成是各向同性的连续板，这个板直接承受作用于肋间的轮荷载，同时把轮荷载传递到肋上，称为盖板体系。

钢桥面板的应力由以上3个体系的计算结果适当叠加而得到。设计过程中，第一体系应力通过总体计算求得。第二、第三体系应力通过建立局部应力分析模型求得。

采用通用分析软件Ansys建立板单元局部模型，纵向选取两个斜拉索跨度加横梁下翼板宽共18.6 m，横向取桥面半宽，单元类型选用SHELL63单元。有限元计算模型如图3所示。

图3　有限元计算模型

轨道交通路面荷载采用的列车活载图式如图4所示。

图4　计算采用的单列列车活载图式(单位：m)

公路路面荷载采用《城市桥梁设计规范》(CJJ11—2011)[5]中的“城-A级”车辆荷载。轨道交通荷载和公路荷载均考虑由轨道块和铺装引起的扩散作用。

本桥钢桥面板计算结果如表1所示。

表1　钢桥面板应力　MPa

从表1可知：桥面板第二、三体系应力所占比重很大，在设计中不能忽略。本桥钢箱梁采用Q345qD，根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TR10002—2005)[3]主力下钢材容许应力210 MPa，主力+附加力下钢材容许应力提高1.2倍，可见钢箱梁应力满足规范要求。

3剪力滞分析

目前，关于剪力滞的研究大多集中在结构截面以受弯为主的简支、悬臂或连续梁体系结构，对于具有多个连续弹性支承且同时承受弯矩和轴压的斜拉桥结构研究较少。有效宽度一般只用于计算挠曲应力而不用于计算轴力产生的应力，但对于斜拉桥主梁，由于其轴力是通过斜拉索的水平分力以集中力的方式不连续地作用于主梁，在传力点附近的力流是不均匀的，也有局部挠曲和剪力滞问题。为研究本桥主梁截面有效宽度问题，通过全桥板单元计算钢梁剪力滞系数，剪力滞系数采用“截面最大应力/截面平均应力”的方法表示。

3.1有限元模型

采用通用分析软件Ansys建立全桥模型，全桥模型见图5。

图5　模型离散图

塔底采用固结约束，梁部分别在支座部位按其支座类型约束平动，其中混凝土梁上采用点约束，钢梁板单元选择与上支座板大小相同的面约束其平动。将自重、二期、索力、活载分解加载在模型上，其中自重、二期按实际加载，索力按一次成桥目标索力加载。公路活载采用车道荷载加载，根据《城市桥梁设计规范》(CJJ11—2011)[5]，车道荷载为一均布的线荷载(qk=10.5 kN/m)和集中力(Pk=360 kN)组成。为消除因局部加载造成的应力集中现象，在空间分析时，将均布的线荷载转化为横向3.5 m范围内的均布面荷载(q=3.0 kN/m2)；集中力考虑车轮在桥面的分布，转化为施加在纵向3.0 m，横向3.0 m范围内的均布面荷载(P=40 kN/m2)。轨道交通荷载按图4加载，考虑其钢轨、轨道板的扩散作用，转化为均布荷载。在计算不同截面的剪力滞系数时，采用此截面产生最大应力的荷载布置方式，如计算主跨跨中中，采用主跨满布公路荷载的工况，其余位置类似加载。由于不同荷载可能产生正剪力滞或负剪力滞，为了能正确地分析其受力规律，先分别按每种荷载计算其剪力滞系数，最后采用荷载组合计算剪力滞系数。

3.2分析结果

取梁半截面绘制应力-横向位置曲线，曲线表竖向坐标为各点纵桥向应力值，横坐标为钢梁横截面横向距离(顶底板分别取值)，具体数值见图6。

图6　箱梁半截面坐标示意(单位：m)

由于单元划分较粗，在截面角点处，存在应力集中现象，但对剪力滞计算影响不大，绘制应力曲线图时依然保留了这些应力集中点的数值。部分工况下截面应力变化情况见图7～图10。

图7　自重下主跨顶板1/2跨位置无索无隔板位置

图8　自重下主跨顶板最大下挠位置有索无隔板位置

图9　二期下DP2号墩顶板无隔板位置

图10　活载下主跨顶板最大下挠位置有索有隔板位置

各部位计算得到的剪力滞系数见表2、表3。

表2　顶板剪力滞系数

表3　底板剪力滞系数

由表2、表3可以看出，钢梁虽然采用分离式钢箱截面，但其整体性较好，除支点处外，其余位置剪力滞系数均未超过1.2。钢梁主跨由于斜拉索的影响，剪力滞曲线与连续梁有很大不同。无斜拉索位置，在刚度较大的双腹板区域存在正剪力滞，而在斜拉索锚固位置由于负弯矩的存在，会出现负剪力滞效应。同时由于横断面较宽，桥面横坡造成截面高度差距较大。在自重、二期、索力、恒载作用下，除DP2号墩及极个别点外，剪力滞系数均未超过1.2，钢梁(除DP2号墩位置)，采用1.2的剪力滞系数是可行的，DP2号墩位置剪力滞系数可取1.5，此剪力滞系数在整体计算模型中采用。

4钢箱梁扭转分析

东平水道斜拉桥为双索面布置，对抗扭较为有利，但其斜拉索锚固位置在其横断面1/3和2/3处，同时采用分离式的钢箱设计，钢梁的抗扭刚度是设计的关键性问题。

采用最大偏载工况加载，即3车道公路+1线轨道交通+一侧人行道荷载+风荷载。公路采用车道荷载，考虑车道折减系数及动力系数，风荷载采用风洞试验得到的三分力系数，计算得到风力扭矩，加载到模型上。

根据《地铁设计规范》(GB50157—2013)[4]第10.2.4条“在列车活载作用下，桥跨结构梁体同一横断面上两根钢轨的竖向变形差形成的两轨动态不平顺不应大于6 mm。计算时，列车活载应计动力系数。不满足时，应进行车桥或风车桥系统耦合振动分析。”由于本桥较为特殊，除承担轨道交通荷载外，还承担公路及人群荷载，各种荷载引起的2根钢轨竖向变形差见表4。

表4　分离式钢箱截面-各荷载引起的两根钢轨竖向变形差　mm

可见其轨道竖向变形差超过了6 mm，考虑将分离式钢箱梁改为整体式钢箱梁，提高其截面抗扭刚度，其计算结果见表5。

由表4、表5可见，改为整体式钢箱梁后，两根钢轨的竖向变形差减少的幅度非常有限，证明原分离式截面抗扭刚度较大，梁部抗扭刚度不是制约钢轨竖向变形的主要原因。在最不利加载横断面上，分离式钢箱截面各点的竖向位移和横向位置的曲线见图11，可见除拉索锚固点位置与线性倾斜变形有所偏移外，其余位置基本符合线性倾斜变形，说明分离式钢箱截面抗扭刚度较大，扭转变形并不是主要控制因素。

表5　整体式钢箱截面-各荷载引起的两根钢轨竖向变形差　mm

图11　分离式钢箱截面在活载下各点竖向位移和横桥向位置的关系

轨面高差沿纵桥向的变化曲线见图12，可见轨面高差从最高处5.7 mm变化到最低处4.9 mm的顺桥向距离约为36 m，变化率较为平缓。

图12　分离式钢箱截面在活载下各点竖向位移和顺桥向位置的关系

经风车桥耦合振动分析，分离式钢箱截面偏载下轨道交通行车安全性和舒适性均能满足要求。同时有限元计算得到的钢箱梁扭转应力和翘曲应力不超过15 MPa，可见采用分离式钢箱截面是合理且安全的。

5结语

东平水道斜拉桥主梁采用分离式流线形扁平钢箱梁，公路交通和轨道交通同层布置，因此同一桥面既承担公路荷载，又承担轨道交通荷载，其应力、变形、疲劳等需同时满足二者要求，经过分析，得到以下结论：

(1)考虑桥面板第二、三体系应力后，钢结构应力满足规范要求，钢箱梁的受力状态是安全可靠的；

(2)除支点位置外，钢梁剪力滞系数均未超过1.2，仅在DP2号墩位置剪力滞系数可取1.5；

(3)分离式钢箱梁截面的抗扭刚度较大，经风车桥耦合振动分析，可满足行车的舒适性和安全性。

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Design and Research of Steel Box Girder in Dongping Waterway Cable Stayed BridgeZHANG Shang, SU Wei, YIN Chun-yan, ZHOU Yue-wu

(The 3rd Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：Dongping Waterway Bridge is a single-tower double-sided cable stayed bridge with spans of 35.0+260.0+51.5+66.0+62.5m. The steel girder is of separated streamline steel box beam with orthotropic steel bridge deck. Such issues as shear lags, the second system stress, the third second system stress and turn-round related to the box girder are discussed to guarantee the security and reliability of the structure. Meanwhile, numerical method is used to analyze and certify the reliability the design, which is proved to conform to the design requirements for technological advantages, safety, reliability and economic reasonability. It is concluded that structural form and analytical method may serve as references for similar projects.

Key words：Cable stayed bridge; Steel box girder; Shear lags; Design

中图分类号：U448.27

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.017

文章编号：1004-2954(2015)05-0078-04

作者简介：张上(1983—)，男，工程师，2009年毕业于西南交通大学结构工程专业，工学硕士，E-mail：zhang_shang@163.com。

收稿日期：2015-02-27