闫 旭 张四国 张一卓
(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)
钢结构斜拉桥人行道铺装安全性研究
闫旭张四国张一卓
(天津市市政工程设计研究院，天津300051)
基于有限元法的相关知识，利用ANSYS有限元软件，建立了某钢结构斜拉桥的仿真模型，分析了主梁人行道板的铺装安全性，得到了不同施工荷载工况下主梁应力分布情况，并与规范中规定的安全应力进行了对比，分析结果表明，在最不利工况下，该钢结构斜拉桥的铺装安全性能够得到保证。
钢结构，斜拉桥，铺装，应力分析
0 引言
在实际桥梁的施工进程中，二期铺装的施工是非常重要的环节，二期恒载作为主梁恒载的一部分，对主梁的成桥应力影响很大。二期铺装主要由底层沥青混凝土和上层混合料组成，在施工过程中，经常会造成材料集中堆载、摊铺机械超载等现象，严重的可能造成新建桥梁的结构损伤甚至垮塌[1]。因此，合理设计二期铺装的摊铺流程非常重要，特别是钢桥面的铺装[2]。本文即利用ANSYS有限元软件对某钢结构斜拉桥的人行道铺装安全性进行了数值模拟分析和评价。
1 工程简介
工程中某钢结构斜拉桥，主梁宽度45.5 m，铺装层为3.5 cm厚沥青混凝土和3.5 cm厚SMA混合料，人行道和非机动车道宽度为5 m，主梁上斜拉索锚固点间距离为7 m，主梁横隔板间距3.5 m，人行道和非机动车道悬臂板由间距为3.5 m的钢结构斜撑支撑，主梁一般断面和主梁平立面结构分布图分别如图1和图2所示。
要对人行道和非机动车道进行铺装，沥青混凝土浇筑铺装机械为轴重4 t+13 t+13 t的库卡车和轴重为15 t的浇筑式履带摊铺机，机械布置如图3所示。
如图4所示为SMA混合料摊铺作业施工机械布置图，分别布置总重30 t的库卡车、35 t的摊铺机和26 t的压路机等重型机械，其中各个机械结构尺寸及布置如图4所示。
其中，库卡车后轮轴线距离SMA摊铺机履带前缘距离不小于0.8 m，摊铺机履带后缘距离压路机前轮轴线距离不小于2.5 m，相邻压路机后轮轴线与前轮轴线距离不小于2 m，验算在最不利布置情况下，主梁边悬臂和斜撑的安全性。
2 有限元建模
1)结构简化。
铺装验算主要验算部位为人行道和非机动车道行车道板，因此建模时横向范围取悬臂端至第一支座的区段；纵向取48 m长度以便布载，如图5所示，实心圆点表示斜撑位置；不考虑主梁顶底板U形加劲肋的倒角弧度；不考虑顶板纵向加劲肋的过焊孔；不考虑悬臂斜撑处加劲肋交接处的倒角。
2)单元选取。
钢箱梁各个部件均由不同厚度的钢板通过焊接连接成一体，建模中用Shell63板单元模拟各个板件，板件交接处共用节点自由度。
3)边界条件。
约束箱梁在支座处的自由度和模型纵向边界上的自由度。
4)荷载状况。
铺装验算考虑梁体自重、铺装荷载、护栏荷载和机械荷载。
各个板件厚度如表1所示。
根据《钢结构设计规范》的规定[3]，最大厚度为30 mm的Q345钢板的强度设计值为295 MPa，求得结构关键点处的相当应力值不超过295 MPa即可。钢材为塑性材料，相当应力取第四强度理论的等效应力(ANSYS中von Mises stress)。
表1 板件厚度汇总表 mm
3 分析结果
3.1沥青混凝土浇筑验算
如图6所示为不同工况下的荷载布置图，分别为仅作用库卡车荷载、仅作用摊铺机荷载和同时布置库卡车及摊铺机荷载的工况。
如图7所示为不同工况下悬臂应力最大处的等效应力云图，最大应力分别为168 MPa，214 MPa和205 MPa，均小于容许应力。
3.2SMA混合料铺装验算
如图8所示为不同工况下的荷载布置图，分别为仅作用库卡车荷载、仅作用摊铺机荷载、仅作用压路机机荷载和同时布置库卡车、摊铺机和压路机荷载的工况。
如图9所示为不同工况下悬臂应力最大处的等效应力云图，最大应力分别为180 MPa，229 MPa，205 MPa和244 MPa，均小于容许应力。
4 结语
不同浇筑类型和荷载工况下悬臂的等效应力如表2所示。
表2 主梁钢板浇筑应力 MPa
在最不利荷载工况下，沥青混凝土浇筑时，仅摊铺机作用下，顶板、顶板纵向加劲和悬臂横隔板的交汇处产生应力集中现象，最大应力214 MPa；SMA混合料浇筑时，库卡车和摊铺机距离最近时，顶板、顶板纵向加劲和悬臂横隔板的交汇处产生应力集中现象，最大应力244 MPa，均小于最大屈服容许应力295 MPa。桥面铺装中应严格按照施工工艺进行，以免产生不必要的资金投入并影响桥梁应有的使用年限[4]。
[1]于显波.大跨径桥梁桥面铺装破坏成因与防治[J].桥梁与隧道,2008(17):118-119.
[2]李建斌.钢桥面复合铺装设计及其参数对桥梁结构的影响[J].桥梁与隧道工程,2014(16):132-136.
[3]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].
[4]王彦里.高等级公路桥面铺装施工[J].现代公路,2012(18):178-180.
Study of the sidewalk paving safety for a steel cable-stayed bridge
Yan XuZhang SiguoZhang Yizhuo
(TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Tianjin300051,China)
Based on the knowledge of FEM, a simulation model of a steel cable-stayed bridge was bulit using ANSYS. The sidewalk paving safety of the main beam was analyzed. The stress distribution of the main beam under different load cases was obtained and the results were compared with the results of specification. The results showed that the sidewalk paving safety for the steel cable-stayed bridge can be guaranteed.
steel, cable-stayed bridge, paving, stress analysis
1009-6825(2016)19-0159-03
2016-04-21
闫旭(1988- )，男，硕士；张四国(1973- )，男，高级工程师；张一卓(1979- )，男，工程师
U443.34
A
