橋梁鋼箱腹板的穩(wěn)定性設(shè)計與分析

張四新

(貴州省凱里公路管理段)

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橋梁鋼箱腹板的穩(wěn)定性設(shè)計與分析

張四新

(貴州省凱里公路管理段)

鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁工程之中，其穩(wěn)定性問題不容忽視。目前國內(nèi)已有相關(guān)橋梁規(guī)范提出穩(wěn)定性分析需要考慮結(jié)構(gòu)的第一類彈性穩(wěn)定與第二類非線性穩(wěn)定問題，而在橋梁鋼箱腹板的穩(wěn)定設(shè)計時宜結(jié)合國內(nèi)外規(guī)范進行綜合設(shè)計，并結(jié)合有限元工具進行相關(guān)分析，從而滿足鋼箱腹板的穩(wěn)定性需求。

橋梁工程；鋼箱腹板；穩(wěn)定性；設(shè)計分析

1 規(guī)范設(shè)計方法

1.1 腹板厚度及水平加勁肋間距

鋼箱腹板厚度及水平加勁肋間距可參照日本《道路橋示方書·同解說》10.4.2條，對腹板的最小板厚進行驗算。當腹板上有n根水平加勁肋時，在高度方向?qū)⒏拱鍎澐譃閚+1個區(qū)格，對于每一個單獨的區(qū)格對應(yīng)的最小腹板厚度要分別滿足以下方程的要求，此處以兩根縱肋劃分三個區(qū)格做闡述如圖1，當配置n根縱肋時依次類推。

其中：

νBi=1.25+(0.3+0.15φi)e-4.3η≥1.25

Ri=0.9-0.1φi；kσi=23.9；

以上各式參數(shù)意義如下：νBi為安全系數(shù)臨界值；ti為腹板厚；bi為區(qū)格高度；a為橫肋間距；σci為腹板中的縱向應(yīng)力，應(yīng)力以壓為正；τ為腹板單元中產(chǎn)生的剪應(yīng)力；Ri為寬厚比系數(shù)；φi為腹板板件區(qū)格上、下緣的應(yīng)力比；ηi為腹板板件剪力和上、下緣較大應(yīng)力的比值；kσi為相對于軸向應(yīng)力的屈曲系數(shù)；kτi為相對于剪應(yīng)力的屈曲系數(shù)。

1.2 腹板加勁肋的剛度

腹板水平加勁肋剛度的驗算宜參照我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》4.3.6(4)條及日本的《道路橋示方書·同解說》10.4.7(1)條，驗算腹板縱肋的剛度。

在我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》4.3.6(4)條中規(guī)定，縱向加勁肋的截面慣性矩Iy，應(yīng)符合下列公式要求：

當a/h0≤0.85時：

當a/h0>0.85時：

式中：h0為腹板計算高度；tw為腹板厚度；a為垂直鋪設(shè)的橫肋間距。

在日本《道路橋示方書·同解說》10.4.7(1)條中規(guī)定，

縱肋對腹板截面的慣性矩：

式中：t為腹板厚度；b為腹板計算高度；γv·rep=30a/b為必要剛度比，a為垂直鋪設(shè)的橫肋間距。

對于鋼腹板垂直加勁肋，在我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》4.3.6(3)條中規(guī)定，垂直加勁肋的截面慣性矩Iz，應(yīng)符合下列公式要求，其符號含義同前文。

在日本《道路橋示方書·同解說》10.4.4條中規(guī)定，垂直加勁肋對腹板截面的慣性矩：

其中橫肋間距a根據(jù)我國《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》1.5.10條，其間距a需滿足下式要求，且不得大于2m。

式中：δ為腹板厚度；τ為驗算板梁處的腹板平均剪應(yīng)力。

1.3 腹板區(qū)格的穩(wěn)定性驗算

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》4.3.4條給出了受壓翼緣與水平加勁肋間之間區(qū)格的穩(wěn)定性驗算，根據(jù)相關(guān)文獻受壓水平加勁肋之間的區(qū)格穩(wěn)定驗算同樣可以適用該方法。此類區(qū)格驗算應(yīng)滿足下式：

式中各參數(shù)的含義和計算方法見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，驗算時將《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》所采用的設(shè)計應(yīng)力以《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的容許應(yīng)力替代即可。同理，受拉翼緣與水平加勁肋之間區(qū)格的穩(wěn)定性驗算應(yīng)滿足下式，式中符號含義參見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》：

2 有限元分析方法

2.1 非線性因素

橋梁鋼箱腹板的穩(wěn)定性尤其是第二類穩(wěn)定問題的實質(zhì)是結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析問題，這就涉及到分析時需考慮相應(yīng)的非線性因素，這里非線性因素主要考慮三點，一是結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷；二是材料非線性也就是考慮鋼材的本構(gòu)定義；三是鋼結(jié)構(gòu)焊接時的殘余應(yīng)力的影響。

關(guān)于初始幾何缺陷的考慮，參考國外相關(guān)規(guī)范，可選用結(jié)構(gòu)的一階彈性屈曲模態(tài)的變形乘以相關(guān)縮放因子視作結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷，以此結(jié)構(gòu)形態(tài)作為分析的基礎(chǔ)。材料的非線性針對鋼材可以簡化考慮做理想彈塑性，其中鋼材屈服后的彈性模量可取0或0.03倍的鋼材彈模。殘余應(yīng)力的計算方法可參考文獻。

2.2 邊界條件的確定

在對橋梁鋼箱腹板做局部穩(wěn)定分析時需選取鋼箱中的某一腹板，同時考慮鋼箱頂板與底板對腹板的作用，既考慮頂?shù)装宓挠行挾?，考慮的方法可根據(jù)歐3規(guī)范進行計算。對于腹板的非加載端，約束其加載方向和垂直方向的平動自由度；頂?shù)装宓慕財噙厓H僅約束加載方向平動自由度；加載端腹板僅約束垂直方向的平動自由度。

3 實例設(shè)計與分析

實例選取一座處于設(shè)計咨詢階段的大型鋼橋，其主梁為單箱三室鋼主梁，形式類似于圖1，現(xiàn)以該橋主梁某一截面為例闡述其腹板的加勁肋設(shè)計及其穩(wěn)定性分析。選取鋼箱主梁中間一塊腹板作為分析對象，根據(jù)歐3規(guī)范計算：其頂板有效寬度1 600 mm，底板有效寬度1 500 mm。設(shè)計參數(shù)方面，頂板厚度35 mm，腹板厚度30 mm ，底板厚度45 mm，設(shè)計腹板高度7 000 mm，水平加勁肋厚度30 mm、寬度350 mm、間距1 400 mm。該設(shè)計參數(shù)可滿足前文所述國內(nèi)外規(guī)范對于鋼腹板穩(wěn)定設(shè)計的要求。

有限元分析方面，建立相關(guān)模型并對其進行彈性屈曲與非線性屈曲的計算，其中非線性屈曲分析按照前文所述考慮相關(guān)非線性因素。經(jīng)有限元計算，在設(shè)計荷載20 MPa下其一階彈性屈曲特征值約等于18，滿足相關(guān)規(guī)范提出的特征值需大于4的要求。并取該階模態(tài)作為初始幾何缺陷縮放十分之一進行非線性屈曲分析。非線性屈曲分析結(jié)果如圖2，屈曲系數(shù)不到4.5，遠小于彈性屈曲分析所得，說明非線性因素的作用非常顯著，在處理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題時需要充分考慮。當前國內(nèi)橋梁規(guī)范對于全橋非線性屈曲系數(shù)給出1.75的參考值，局部腹板其非線性屈曲系數(shù)大于該值說明局部不會先于整體失穩(wěn)，設(shè)計相對安全。

圖1 鋼箱主梁示意圖

圖2 非線性屈曲分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)橋梁鋼箱腹板的設(shè)計宜參考國內(nèi)外諸多規(guī)范，如我國的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、日本《道路橋示方書》、歐洲規(guī)范3等，以最大限度的滿足國內(nèi)外規(guī)范要求為宜設(shè)計加勁肋。

(2)加勁肋設(shè)計參數(shù)給定后應(yīng)采用有限元方法計算腹板的彈性屈曲與非線性屈曲，充分考慮多種非線性因素如初始缺陷、材料本構(gòu)等。

(3)將國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范與有限元分析結(jié)合形成橋梁鋼箱腹板設(shè)計與分析的有效方法。

[1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017-2003)[S].

[2] 公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(JTJ 025-86)[S].

汽車機械

2015-04-11

張四新(1967-)，男，貴州思南人，工程師，主要從事橋梁工程研究。

U445

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1008-3383(2015)11-0160-01