曲线钢箱梁桥优化设计研究_李爽.pdf

1引言随着城市人口的增加和城区规模的不断壮大，城市交通系统和桥梁建设也迎来了快速发展。曲线钢箱梁桥由于其桥体构件加工快、施工对周边环境影响小、桥体自重小，且兼顾了曲线梁和钢箱梁的受力特征被广泛应用于市政交通设计。但在曲线钢箱梁桥设计施工时还存在一些问题需要解决，如桥梁抗倾覆设计、桥板面挖孔形式和钢桥面板铺装等问题1都需要探讨研究。2影响曲线钢箱梁桥稳定性的因素曲线钢箱梁桥在较大交通荷载和自身重力作用下容易发生桥面倾覆，国内相关设计规范还没有对桥面抗倾覆设计稳定性有具体要求，桥梁设计人员在设计时往往忽视了对抗倾覆问题的考虑，容易引发交通安全事故2。要保证曲线钢箱梁桥稳定必须满足永久荷载和移动荷载的合力作用点3处在支承面内，且支承体系刚度要满足设计要求。本文结合现实中钢箱梁桥倾覆的案例，总结了影响曲线钢箱梁桥倾覆的影响因素，具体如下。1）曲线钢箱梁桥由于其主要结构为钢结构，桥体自重较同样规格的混凝土桥梁要小得多，桥梁在使用时支座承受的活荷载要远大于恒重荷载，当动荷载作用于桥梁曲线外侧时，内侧支座就会产生反力造成桥面侧翻。2）在相同条件下，曲线钢箱梁桥的跨径越大，桥梁的扭转作用越明显，导致倾覆力臂越大。桥梁曲线半径较小时，桥梁曲线钢箱梁桥优化设计研究Study on the Optimal Design of Curved Steel Box Girder Bridge李爽（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110015）LI Shuang(Liaoning Transportation Planning and Design Institute Co.Ltd.,Shenyang 110015,China)【摘要】对影响曲线钢箱梁桥的稳定性因素进行了梳理总结，重点对曲线钢箱梁桥的抗倾覆设计和桥面横隔板挖孔方式行了优化研究，通过加宽横梁或支承牛腿和对支座增重，既可以提高曲线钢箱梁桥的整体稳定性，还能对桥梁应力集中部位进行加固，防止支承因为局部应力过大出现局部屈服。通过研究桥面横隔板的挖孔方式、横隔板高度以及桥面厚度对挖孔自由边应力的影响，确定了桥面横隔板相关设计参数，为曲线钢箱梁桥整体优化设计提供参考。【Abstract】This paper analyzes the factors affecting the stability of the steel box girder bridge,focus on rigidity curve of steel box girderbridge design and the way of bridge transverse diaphragm hole for the optimization study,by widening beam or supporting bracket and thebearing weight,can improve the overall stability of steel box girder bridge,also can carry on the reinforcement stress concentration areas ofthe bridge,prevent bearing from local yield due to excessive local stress.By studying the influence of diaphragm cutting mode,diaphragmheight and bridge thickness on the free edge stress,the design parameters of diaphragm closing are determined,which can provide referencefor the overall optimization design of steel box girder bridge.【关键词】曲线钢箱梁桥；设计优化；抗倾覆稳定性；桥面横隔板【Keywords】curved steel box girder bridge;design optimization;anti-overturning stability;bridge deck diaphragm【中图分类号】U448.21+3；U441【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0093-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.028【作者简介】李爽（1980），女，辽宁沈阳人，高级工程师，从事桥梁设计与研究。MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计93Construction&DesignForProject工程建设与设计受到最不利加载位置的集中载荷作用也会引起倾覆力臂增大。桥梁的跨径、曲率对曲线钢箱梁桥的抗倾覆能力都有影响，同等条件下，当曲线钢箱梁桥的跨径越大、曲线桥梁扭转作用越明显，桥梁的稳定性越差。3）横向支座间距的大小直接影响了抗倾覆力矩力臂的大小。当横向支座间距变大时，倾覆力矩的力臂会减小，同时抗倾覆力矩的力臂增大，通过增大横向支座间距能有效增加曲线钢箱梁桥的抗倾覆能力。4）行车超载严重影响了桥梁的稳定性。目前，我国载重汽车超载现象频发，使得桥梁长期处于超负荷工作状态，对桥梁的稳定性造成严重影响。5）当前桥梁设计人员在进行曲线钢箱梁桥设计时，重点关注的设计要点是桥面抗剪、抗弯以及承载力是否符合设计规范要求，对桥面偏心偶然超载作用关注较少，导致超载作用下发生很多桥面倾覆事故。3曲线钢箱桥梁抗倾覆能力优化措施通过对上文影响曲线钢箱梁桥稳定性因素说明，本文从设计角度总结了两点增加曲线钢箱梁桥抗倾覆稳定性措施。（1）通过在桥台支座处的钢箱梁内部注入混凝土提高桥梁抗倾覆稳定性4。桥梁纵向压重长度不宜过长，如果配重长度过长会增加倾覆力矩，起到反作用，虽然对支座钢箱梁配重可以增加桥梁的抗倾覆能力，但受制于钢箱梁桥内部空间的限制，还需要采用其他手段来增加桥梁抗倾覆能力。（2）通过增大桥梁横向支座间距也可以起到提升抗倾覆的效果。将支座的中心线设定在边腹板处，为了避免支座裸露在外面，需要将底板左侧支承牛腿。支承牛腿横向尺寸间距可以根据支座距离进行调整，为保证支承牛腿局部稳定需要增加纵向钢筋。当曲线钢箱梁桥必须采用增大支座间距才能满足抗倾覆设计要求时，通过加宽横梁构造保证结构稳定。将支撑的悬挑翼缘做成箱形结构就能实现加宽梁构造，但这种方式使得桥梁的全部载荷集中在边腹板和加宽梁的交界处，因此，为解决此处应力集中问题，在横梁设计时要加宽底板宽度并对加宽处底板做过渡变形处理。在实际工程中，通过结合上述两种方法（采用加宽横梁或支承牛腿和对支座增重）既可以提高钢箱梁桥的整体稳定性，还能对桥梁应力集中部位进行加固，防止支承因为局部应力过大出现局部屈服。4钢箱梁桥桥面横隔板挖孔方式优化钢箱梁桥因为腹板与支承座连接处应力集中、焊接时构件残余应力、焊接材料缺失等问题严重影响了桥梁的安全。钢箱梁桥在桥梁焊接拼装时大多采用正交异性钢板面，焊接工艺复杂且焊缝较多，在长期行车荷载和自身结构缺陷的影响下，容易造成桥梁疲劳破坏5。钢箱梁桥出现疲劳破坏的部位主要集中在桥面板与横隔板或纵筋挖孔处。横隔板的挖孔形式和挖孔尺寸对疲劳性能均有影响。通过对相关文件查询，依托辽宁省某市立交曲线钢箱梁桥为工程实例，采用ABAQUS数值模拟软件探究挖孔形式对桥梁疲劳性的影响。局部模型由桥梁横隔板、桥面板（板的厚度和下翼板厚度分别为16 mm和20 mm）和纵肋（尺寸为300 mm280 mm8 mm）组成。模型尺寸为1.8 m2.6 m，局部模型图如图1所示。图 1有限元局部模型设计立面图根据钢箱梁桥桥面板受力特点，模型边界条件假定为简支边界条件，考虑车辆冲击作用的荷载取值为0.625 MPa，荷载作用面积为200 mm600 mm，采用S4R建立模型单元，不考虑焊缝拼接和桥面铺装对模型的影响。横隔板的挖孔形式如图2所示，其中孔1孔4形状分别为梯形孔、Haibach孔、圆形孔和椭圆形孔。数值模拟挖孔自由边的应力云图如图3所示，不同开孔方式自由边产生的最大Von Mises应力见表1，数值模拟结果表明采用Haibach挖孔方式下自由边产生的最大应力是最小的，其余方式自由边应力从小到大排序为圆孔、梯形孔、椭圆形孔。Haibach孔和圆孔的应力集中区域较其他两种挖孔方式明显偏大，且挖孔半径过大会严重影响腹板的结构刚度。采用圆孔方式其腹板应力影响区较小，但是横隔板与纵肋筋的搭接长度较短，因此，很少采用圆孔式。综合考虑挖孔腹板的应力集中区面积、施工进度、挖孔区自由边疲劳性能和横隔板与纵肋筋的搭接焊缝的疲劳性能，钢箱梁桥横隔板挖孔形式选择梯形孔。94表 1挖孔自由边最大应力对比表挖孔形式自由边最大应力/MPa不同挖孔方式与梯形孔比值梯形孔Haibach 孔圆形孔椭圆形孔19.816.817.421.91.000.850.881.11横隔板的上等间距切开形状与钉耙相似，又被称为“齿板”。横隔板齿板的切口深度和开孔的形状都会影响自身强度，且横隔板的构造特点使其应力分布并不连续，在交通荷载作用下，外界应力由桥面板通过纵筋与横隔板的连接传递到横隔板处，使得横隔板的受力变形情况较其他部位复杂。因此，本文通过改变横隔板高度来研究其对挖孔周边应力的影响情况，从而选择合适的横隔板高度。在进行数值模拟试验时，横隔板的高度分别设定为500mm、600 mm、700 mm、800 mm，交通荷载采用单点施加，选择挖孔1方式进行数值模拟试验，挖孔观测点位置如图4所示。数值模拟结果见表1，试验表明挖孔自由边高度越高，其自由边应力集中面积越小，自由边监测点的应力值也越小。因此，在不影响桥梁结构稳定的前提下适当增加横隔板的高度，可以缓解横隔板挖孔处钢结构的疲劳性，但是当横隔板的高度增加到一定程度时，横隔板挖孔周围自由边的应力集中区减小效果并不明显，最大应力值的变化也趋于稳定，此时孔边的自由应力由挖孔的形状和尺寸6等其他因素决定。因此，在设计横隔的高度较低时，主要考虑挖孔形式和半径对横隔强度的削弱作用；当设计横隔板的高度较高时，主要考虑挖孔方式对挖孔自由边应力大小的影响。表 2不同横隔板高度下挖孔自由边应力MPa观测点位置横隔板高度/mm500600700800ABC24.820.522.619.214.919.318.113.614.417.212.313.5图 3不同挖孔形式下孔边应力云图a孔 1b孔 2c孔 3d孔 43003002002801972528050R157R2010106R65R25129300300280198280163R50R120204146图 2数值模拟挖孔形式尺寸图a孔 1 孔边应力云图b孔 2 孔边应力云图c孔 3 孔边应力云图d孔 4 孔边应力云图MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计95Construction&DesignForProject工程建设与设计为研究桥面板、横隔板和纵筋的厚度改变对纵筋挖孔处的疲劳性的影响，假定桥面板的厚度分别为14 mm、16 mm、18 mm、20 mm，横隔板的厚度分别为10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，加筋厚度分别为6 mm、8 mm、10 mm、12 mm，分别研究桥面板、横隔板和纵筋的厚度对挖孔焊缝处应力的影响。桥板面构件厚度改变挖孔焊缝端应力标准化应力值如图5所示。从图5中可看出，随着桥板面厚度的增加，横隔板焊缝处标准化的应力随着减小，其变形曲线呈一次线形分布，当桥板面厚度增大2 mm后，横隔板的应力值对应减小5%8%。图 5桥板面构件厚度改变下焊缝处标准化后的应力当横隔板的厚度增大时，横隔板焊缝标准化后应力值也随着减小，当横隔板厚度超过12 mm后，其