罗 旭

1 概述

随着我国城市化的日益发展和道路交通需求的增加，城市高架道路系统得到了飞速发展。随着钢铁工业和钢结构技术的发展，钢结构立交桥的数量也在不断增加，箱形截面抗扭刚度大、整体性好的特点使得钢箱梁结构在桥梁设计及建造过程中得到广泛的应用，现已成为主梁形式的首选。在市区进行立交工程施工，难免会阻隔路面交通，对周边环境造成较大的影响，而钢结构立交桥所用的钢箱梁节段可在钢构件加工工厂进行预制加工和防腐喷涂，待加工完成后再运至现场进行焊接安装，可大大缩短工期。所以，从某种程度上来说，钢箱梁立交桥的设计和施工顺应了未来城市立交的发展趋势。

2 钢箱梁空间有限元模型的建立

云溪路转科韵北路跨线桥主桥采用(28+2×39+28)m连续钢箱梁结构，桥梁处于59.1 m的圆曲线及缓和曲线上，桥面宽度为9.03 m ～10.8 m，翼板宽度为1.915 m ～2.8 m，预制箱宽5.2 m(含腹板厚度)，箱体净高1.4 m(腹板高)。沿桥梁纵向每隔5.7 m设一道横向强加劲肋，两道强加劲肋之间平均设两道横向弱加劲肋。桥面铺装上层为10 cm厚沥青混凝土，下层为12 cm厚的C40钢纤维混凝土，两侧防撞栏每侧宽50 cm。

本次分析计算采用大型通用有限元程序ANSYS，箱梁顶板、底板、翼板、腹板、横梁、横向强加劲及横向弱加劲等用空间壳单元Shell63模拟，纵向加劲肋用空间梁单元Beam4模拟，桥面12 cm厚钢纤维混凝土结合层用三维体单元Solid45模拟，全桥共有187 506个空间壳单元，25 180个空间梁单元，78 814个空间实体单元。钢箱梁5个支点横向均设置双支座，全桥共10个支座，其中1号、2号、4号和5号支点曲线外侧的支座均为竖向约束，曲线内侧的支座沿径向和竖向进行约束;3号支承处曲线外侧的支座沿切向和竖向进行约束，曲线内侧的支座沿径向、切向和竖向进行约束。

考虑到施工过程结构体系的变化，计算应力的时候采用钢箱梁模型，将结合层作为二期恒载施加于钢梁上，不考虑结合层与钢梁之间的叠合作用，计算挠度时则采用钢—混凝土的叠合梁模型，即在钢箱梁模型的基础上，采用Solid45体单元模拟钢纤维混凝土结合层。

3 空间有限元分析计算结果

3.1 恒载计算

根据设计图纸，恒载作用下的荷载工况为:钢箱梁和箱内混凝土压重块等效荷载+二期恒载。

在ANSYS中，通过设定系统重力加速度(g=9.8 N/kg)来实现钢箱梁和结合层部分的自重，支点横梁处混凝土压重及二期恒载则以面均布荷载施加于钢箱梁顶板，其中，二期恒载折算面荷载为:

1)行车道部分=26 000 N/m3×0.12 m(叠合梁混凝土部分厚)+23 000 N/m3×桥面铺装层厚0.1 m=5 420 N/m2。

2)防撞墙部分=0.457 m2(防撞墙横向面积)×26 000 N/m3÷0.5 m(防撞墙横向宽度)+26 000 N/m3(混凝土容重)×0.12 m(叠合梁混凝土部分厚)=26 884 N/m2。

3.2 汽车活载计算

3.2.1 横桥向最不利汽车活载布置

由于ANSYS程序为通用有限元软件，没有按我国公路桥梁设计规范定制的相关荷载及相应的纵横向影响线自动加载功能，因此，需要根据实际情况进行对比计算，确定最不利的加载方式。根据JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范，汽车活载采用公路Ⅰ级车道荷载:均布面荷载q=10.5 kN/m(公路Ⅰ级均布荷载标准值)÷1.8 m(假定轮压宽度)=5.833 kN/m2;集中荷载 P=180+(360－180)×(39－5)÷(50－5)=316 kN。

经对比计算，横桥向双车道偏置在曲线梁的外侧时，汽车活载的作用效应最大，因此横桥向的荷载布置情况如图1所示。

3.2.2 纵桥向最不利汽车荷载布置

根据结构力学以及设计经验，按照如下方式给出各控制截面最不利内力(第一跨跨中、2号支点、第二跨跨中和3号支点)的纵向影响线加载方式。

1)第一跨跨中最大正弯矩。对第一跨跨中截面进行纵向影响线加载，即在第一跨和第三跨布置车道面均布荷载q，在第一跨跨中布置车道集中荷载P。

2)2号支点最大负弯矩。对2号支点截面进行纵向影响线加载，即在第一跨、第二跨和第四跨布置车道面均布荷载q，在第一跨跨中附近布置车道集中荷载P。

3)第二跨跨中最大正弯矩。对第二跨跨中截面进行纵向影响线加载，即在第二跨和第四跨布置车道面均布荷载q，在第二跨跨中布置车道集中荷载P。

4)3号支点最大负弯矩。对3号支点截面进行纵向影响线加载，即在第二跨和第三跨布置车道面均布荷载q，在第二跨跨中附近布置车道集中荷载P。

限于篇幅，在此仅给出第一跨跨中的纵向影响线加载方式如图2所示。

3.3 荷载组合

根据以上各种工况下计算结果进行荷载组合，得到各控制截面的最大等效应力如表1所示，腹板的最大剪应力如表2所示。

表1 各控制截面最大组合等效应力 MPa

表2 各控制截面最大组合剪应力 MPa

从表1，表2中的数据可以看出，荷载组合后各控制截面的最大等效应力(SEQV)和最大剪应力均满足Q345钢材的设计要求，其中最大等效应力出现在3号支点(中支点)底板处:108.5 MPa;最大剪应力出现在2号支点(次边支点)边腹板处:30.76 MPa。

4 结语

本文以广州市云溪路转科韵北路跨线桥的钢箱梁为工程背景，应用ANSYS程序建立空间有限元模型，对其在设计荷载作用下进行计算分析，得出以下结论:

1)基于ANSYS的实体单元Shell63及Solid45，建立空间有限元分析模型对曲线钢箱梁进行空间受力分析，可以较为真实地反映钢箱梁的空间力学行为。

2)通过分析确定钢箱梁空间有限元模型中的纵横向最不利加载位置，在此基础上对模型进行加载求解，让设计计算者清楚结构的受力以及方便进行模型的校核。

鉴于ANSYS没有定制我国的设计规范及其影响下自动加载，因此ANSYS程序更适合用于计算复核，校验桥梁专业计算软件的结果。

3)计算结果表明，云溪路转科韵北路跨线桥的钢箱梁在恒活载作用下，各控制截面的应力均满足规范的要求，且具有比较的富余，说明该桥在实际工程中具有比较好的工作性能，再次证明了钢箱梁在城市立交中的优势。

4)关于曲线钢箱梁的应用，尚有很多问题值得进一步探讨，如温度作用效应分析，钢—混凝土结合的接触问题，负弯矩区混凝土结合层的开裂问题等。

[1]张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M］.北京:人民交通出版社，2003.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S］.

[3]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S］.

[4]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S］.