石板坡长江大桥复线桥正桥钢箱梁受力分析(330主跨连续刚构桥)

第1页石板坡长江大桥复线桥正桥钢箱梁受力分析一、分析目的石板坡长江大桥复线桥正桥整体分析时钢箱梁以空间杆系形式输入，虽然总体截面特性的描绘和整体刚度分配无偏差，但所得到的钢箱梁应力仅是名义应力，未能完全反应应力流在各主要构件分布及流向规律。本部分分析将离散钢箱梁的各部分主要构件以考察在整体受力时其性能表现和应力分布规律，主要考察108米钢箱梁在吊装（I期恒载）、二期恒载及车道活载和人群荷载作用下顶底板及加劲肋、腹板及加劲肋和横梁的应力情况，是“整体计算的必要补充。对于后期收缩徐变作用对钢箱梁应力的影响等在《整体计算书》中有阐述，该分析不包含此部分内容。关于钢砼接头受力及桥面部分正交异性板在轮压作用下的分析另见《结合段局部应力分析报告》和《钢箱梁局部应力分析报告》。二、钢箱梁概述标准横截面如图2-1所示。桥面部分采用轻质高强的正交异性板（OrthotropicSteelDeck）的构造，由纵横向相互垂直的加劲肋（U和I型纵肋和横肋或横隔板，U和I型纵肋除钢砼接头外全长贯通）且连同桥面盖板组成共同承受车轮荷载的结构；两边腹板采用带I型加劲肋结构（I型纵肋除钢砼接头外全长贯通）；中腹板亦采用带I型加劲肋结构但于横隔板处断开；底板采用带I型加劲肋结构（I型纵肋除钢砼接头外全长贯通）；横梁间距为2.0米；横隔板间距4.0米，但在103米每端头及跨中位置各增设一道横隔板。分析程序采用通用有限元程序SAP2000。对钢箱梁部分进行详细划分同时对砼部分建立整体空间杆系单元模型。第2页图2-1石板坡长江大桥钢箱梁标准横断面构造图第3页三、分析模型的建立3.1模型几何描述采用板单元模拟钢箱梁部分：包括U肋、I肋、横梁及横隔板部分。砼梁及桥墩部分采用空间梁单元模拟，P1、P2支座采用约束释放的空间梁单元模拟，承台及支座处横梁采用空间刚臂梁单元模拟。整体模型如图3-1所示。从设计安全角度以及减小求解规模考虑，在建模中未考虑Ｕ肋腹板与底翼缘间的圆弧过渡段，未考虑Ｕ肋和I肋与横隔梁连接处的角焊缝处理。图3-1石板坡长江大桥整体模型图图2-2为桥面板各部分局部模型示意，其中(a)为钢箱梁与砼梁连接局部模型图，(b)、（c）为钢箱梁总体模型示意图，(d)~(g)为钢箱梁局部模型示意图，第4页（a）钢箱梁与砼梁连接局部模型图（b）钢箱梁总体模型示意图一（c）钢箱梁总体模型示意图二第5页（d）钢箱梁局部模型示意图一（除去底板部分）（e）钢箱梁局部模型示意图二（f）钢箱梁局部模型示意图三（横梁、横隔板）（g）钢箱梁局部模型示意图四（U、I肋）图3-2石板坡长江大桥钢箱梁模型图3.2钢箱梁材料及特性钢箱梁各部件均采用Q345D。表2-2给出了主要构件板厚，U肋厚度为8mm,I肋厚度根据不同位置分别采用为10、16、20mm。第6页3.3、载荷工况(1).钢箱梁吊装（I期恒载）。(2).II期恒载类别P1P2P3P4ΣPΣM1类0.770.478.1126.742类1.570.518.6426.7437.4624.653类1.570.5133.8426.7462.65226.19ΣP=P1+P2+P3+P4ΣM=P2*9.4+P3*8-(P1*9.3+P4*1.3)图3-3II期恒载砼梁分布图表图3-4II期恒载砼梁分布示意第7页对于钢箱梁部分根据第一类的荷载集度和桥面布置将其转化为板单元面荷载施加到钢箱梁桥面板上。(3).大跨体外束钢箱梁体系转化后要施加体外束，将体外束应力以荷载方式施加到砼和钢结构。图3-5钢箱梁体外束加载示意（片断）图3-7体外束加载位置示意第8页(4).车道活载和人群荷载车道活载考虑四车道偏心加载方式，叠加人群荷载以求得弯矩和扭矩同时最大的不利组合，如下图图3-5偏心活载横桥向分布示意图3-6最不利活载分布示意（未示出钢梁段荷载）图3-7钢梁段最不利活载分布示意第9页四、计算结果1．砼结构与钢箱梁变形一致性检验。图4-1-1最不利活载变形示意图4-1-2最不利活载变形示意（局部放大）从变形图可知：砼结构与钢箱梁变形一致且具有连续性，从而保证模型本身计算出的结构真实可靠。2．钢箱梁吊装（I期恒载）作用下钢箱梁应力图4-2-1I期恒载顶板正应力S11第10页图4-2-2I期恒载底板正应力S11图4-2-3I期恒载腹板正应力S11图4-2-4I期恒载中腹板正应力S11第11页从图4-2-1～图4-2-4可知I期恒载下：顶板S11应力分布较平顺，极值为-77mpa，位置跨中；底板S11应力分布较平顺，极值为97mpa位置跨中；边腹板S11应力分布较平顺，顶缘极值为-74mpa位置跨中，底缘极值为100mpa位置跨中；中腹板S11应力分布较平顺，顶缘极值为-77mpa位置跨中，底缘极值为98mpa位置跨中。以下将分别考察钢梁段1/8、1/4、3/8及跨中位置附近典型梁段的应力情况。S11为顺桥轴方向应力，S22为横轴方向应力，SVM为主应力。(1)钢梁段1/8点位置附近图4-2-5I期恒载1/8点附近正应力S11（一）图4-2-6I期恒载1/8点附近正应力S11（二）第12页图4-2-7I期恒载1/8点附近正应力S11（三）图4-2-8I期恒载1/8点附近正应力S22第13页图4-2-9I期恒载1/8点附近主应力SVM从图4-2-5～图4-2-9可知I期恒载下1/8点附近：顶板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-20、-25mpa；底板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为30、40mpa；边腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-22mpa，底缘极值为36mpa；中腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-22mpa，底缘极值为36mpa。横隔板S22应力，最大最小值分别为4.5、-13.5mpa，其余构件S22应力均较小，最大最小值分别为4.5、-9mpa；顶板最大主应力32mpa、底板最大主应力45.5mpa、腹板最大主应力39mpa、横梁最大主应力16mpa、横隔板最大主应力35mpa。(2)钢梁段1/4点位置附近图4-2-10I期恒载1/4点附近正应力S11（一）第14页图4-2-11I期恒载1/4点附近正应力S11（二）图4-2-12I期恒载1/4点附近正应力S11（三）第15页图4-2-13I期恒载1/4点附近正应力S22（一）图4-2-14I期恒载1/4点附近正应力S22（二）第16页图4-2-15I期恒载1/4点附近主应力SVM从图4-2-10～图4-2-15可知I期恒载下1/4点附近：顶板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-40、-50mpa；底板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为71.5、77mpa；边腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-45mpa，底缘极值为72mpa；中腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-45mpa，底缘极值为75mpa。横梁S22应力较小，最大最小值分别为3.5、-7.0mpa，其余构件S22应力均较小，最大最小值分别为10.5、-7mpa；顶板最大主应力52mpa、底板最大主应力80mpa、腹板最大主应力74mpa、横梁最大主应力47mpa。(3)钢梁段3/8点位置附近图4-2-16I期恒载3/8点附近正应力S11（一）第17页图4-2-17I期恒载3/8点附近正应力S11（二）图4-2-18I期恒载3/8点附近正应力S11（三）第18页图4-2-19I期恒载3/8点附近正应力S22（一）图4-2-20I期恒载3/8点附近正应力S22（二）第19页图4-2-21I期恒载3/8点附近主应力SVM从图4-2-16～图4-2-21可知I期恒载下3/8点附近：顶板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-60、-72mpa；底板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为88、92mpa；边腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-65mpa，底缘极值为96mpa；中腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-68mpa，底缘极值为90mpa。横隔板S22应力，最大最小值分别为5.5、-29mpa，其余构件S22应力均较小，最大最小值分别为6.5、-13mpa；顶板最大主应力73mpa、底板最大主应力94mpa、腹板最大主应力97mpa、横梁最大主应力30mpa、横隔板最大主应力36mpa。(4)钢梁段1/2点(跨中)位置附近图4-2-22I期恒载跨中附近正应力S11（一）第20页图4-2-23I期恒载跨中附近正应力S11（二）图4-2-24I期恒载跨中附近正应力S11（三）第21页图4-2-25I期恒载跨中附近正应力S22图4-2-26I期恒载跨中附近主应力SVN从图4-2-22～图4-2-26可知I期恒载下跨中附近：顶板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-66、-76mpa；底板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为93、97mpa；边腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-73mpa，底缘极值为97mpa；中腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-78mpa，底缘极值为99mpa。横隔板S22应力，最大最小值分别为6.0、-31mpa，其余构件S22应力均较小，最大最小值分别为6、-6mpa；顶板最大主应力76mpa、底板最大主应力97mpa、腹板最大主应力99mpa、横梁最大主应力40mpa、横隔板最大主应力50mpa。第22页3．钢箱梁II期恒载+体外束作用下钢箱梁应力图4-3-1II期恒载+体外束下顶板正应力S11图4-3-2II期恒载+体外束下底板正应力S11图4-3-3II期恒载+体外束下边腹板正应力S11第23页图4-3-4II期恒载+体外束下中腹板正应力S11从图4-3-1～图4-3-4可知II期恒载+体外束下：顶板S11应力分布较平顺，极值为-27.2mpa，位置跨中；底板S11应力分布较平顺，极值为-42mpa位置1/4点；边腹板S11应力分布较平顺，顶缘极值为-30mpa位置跨中，底缘极值为-45mpa位置1/4点；中腹板S11应力分布较平顺，顶缘极值为-29mpa位置跨中，底缘极值为-40mpa位置1/4点。以下将分别考察钢梁段1/8、1/4、3/8及跨中位置附近典型梁段的应力情况。S11为顺桥轴方向应力，S22为横轴方向应力，SVM为主应力。(1)钢梁段1/8点位置附近图4-3-5II期恒载+体外束下1/8点附近正应力S11第24页图4-3-6II期恒载+体外束下1/8点附近主应力SVM从图4-3-5～图4-3-6可知II期恒载+体外束下1/8点附近：顶板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-20、-22mpa；底板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-34、-36mpa；边腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-21mpa，底缘极值为-35mpa；中腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-21mpa，底缘极值为-35mpa。顶板最大主应力23mpa、底板最大主应力36mpa、腹板最大主应力35mpa。(2)钢梁段1/4点位置附近图4-3-7II期恒载+体外束下1/4点附近正应力S11(一)第25页图4-3-8II期恒载+体外束下1/4点附近正应力S11(二)图4-3-9II期恒载+体外束下1/4点附近正应力S22第26页图4-3-10II期恒载+体外束下1/4点附近主应力SVM从图4-3-7～图4-3-10可知II期恒载+体外束下1/4点附近：顶板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-17、-19mpa；底板S11应力分布较平顺，最大最小值分别为-40、-41mpa；边腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-17mpa，底缘极值为-40mpa；中腹板S11应力分布平顺过渡，顶缘极值为-17mpa，底缘极值为-40mpa。横梁S22应力，最大最小值分别为3、-4mpa，其余构件S22应力均较小，最大最小值分别为4、-4mpa；顶板最大主应力20mpa、底板最大主应力41mpa、腹板最大主应力40mpa、横梁最大主应力15mpa。(3)钢梁段3/8点位置附近图4-3-11II期恒载+体外束下3/8点附近正应力S11(一)第27页图4-3-12II期恒载+体外