橫隔板布置對(duì)不同斜交角度簡(jiǎn)支鋼箱梁受力影響分析

吳 巖

（中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 工程背景

文章以湖南省長(zhǎng)沙市某市政橋梁工程為背景，橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑50m，為避免橋臺(tái)設(shè)置占用橋下道路，擬建橋梁設(shè)置為斜交，橋梁橫向布置為0.5m（欄桿）+4m（人非機(jī)動(dòng)車道）+12.5m車行道+4m（人非機(jī)動(dòng)車道）+0.5m（欄桿）=21.5m。

上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支鋼箱梁，單箱七室等高截面，梁高取2.2m，為跨徑的1/23，懸臂長(zhǎng)2.0m；箱梁頂板、底板及腹板厚均為16mm，頂板U型肋厚8mm，頂板及腹板Ⅰ型縱向肋厚10mm；底板T字肋的腹板及翼緣厚分別為10mm、12mm，箱梁每隔2.5m設(shè)置一道橫隔板，橫隔板鋼板厚20mm；腹板間距2.5m，典型橫斷面見圖1。橫橋向設(shè)置4個(gè)支座，支座沿道路法向中心距4.5m。

2 鋼箱梁受力狀態(tài)

鋼箱梁作為薄壁結(jié)構(gòu)，其最終受力及變形將產(chǎn)生對(duì)稱彎曲、扭轉(zhuǎn)、畸變和橫向彎曲四種狀態(tài)。對(duì)稱彎曲產(chǎn)生豎向位移，并在橫截面上產(chǎn)生縱向正應(yīng)力；當(dāng)箱梁受扭時(shí)，截面各纖維在順橋向自由變形，即為自由扭轉(zhuǎn)，只產(chǎn)生剪應(yīng)力，變形受到限制即為約束扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力；畸變會(huì)引起翹曲正應(yīng)力和畸變剪應(yīng)力及橫向彎曲應(yīng)力；橫向彎曲則產(chǎn)生橫向彎曲正應(yīng)力。由于鋼箱梁橫隔板面外剛度較小，故扭轉(zhuǎn)分析不考慮橫隔板影響，單室箱梁橫隔板對(duì)鋼箱梁的畸變、橫向彎曲、對(duì)稱彎曲有較大影響。

3 橫隔板布置方式

橫隔板采用正交、斜交、扇形布置三種布置形式，雖然斜交橋梁橫隔板正交布置有利于施工，但當(dāng)斜交角逐漸增大時(shí)，在平面銳角三角區(qū)域?qū)?huì)不可避免地設(shè)置部分橫橋向非連續(xù)橫隔板，部分短橫隔板的設(shè)置對(duì)橋梁傳力可能造成較大影響；若采用扇形布置，則需考慮橫隔板縱橋向間距進(jìn)行漸變處理。

橋梁橋面寬度21.5m，斜交橫隔板平行于橋臺(tái)，正交橫隔板垂直于道路中心線，扇形橫隔板根據(jù)斜交角度調(diào)整綜合布置。其中，橫隔板斜交、正交布置時(shí)標(biāo)準(zhǔn)間距2.5m，橫隔板扇形布置時(shí)，斜交角15°橋梁橫隔板間距在2.5～3.5m漸變，斜交角45°橋梁橫隔板間距在1.35～3.5m漸變，橋梁橫隔板平面布置形式見圖2。

4 鋼箱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 有限元計(jì)算模型

圖1 鋼箱梁典型橫斷面圖（單位：mm）

圖2 橫隔板布置形式示意圖

上部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas有限元計(jì)算軟件，考慮該橋?qū)挾容^大，單梁模型難以滿足結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析的精度要求，且為了精確模擬橫隔板及腹板的傳力情況，采用梁格法建立空間有限元模型，箱梁橫斷面分為9個(gè)縱向梁格，梁格編號(hào)依次為1#～9#，其中包括7個(gè)實(shí)體梁格和2個(gè)虛擬縱向梁格，橫向按橫隔板布置方式設(shè)置橫向連接系。針對(duì)15°、45°兩種不同斜交角度橋梁，計(jì)算三種不同橫隔板布置方式，建立6個(gè)有限元計(jì)算模型。

4.2 支座反力

恒載、活載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，橋臺(tái)支座反力情況對(duì)比見表1。

表1 支座反力 單位：kN

分析表1中的數(shù)據(jù)可知：對(duì)于15°斜交角鋼箱梁，恒載作用下總支反力斜置＞正置＞扇形，這主要是三種布置方式橫隔板自重的差異造成的。對(duì)于小斜交角鋼箱梁，橫隔板斜置時(shí)材料用量最大。對(duì)于45°斜交角鋼箱梁，恒載作用下總支反力斜置＞扇形＞正置，與小角度鋼梁支反力有所差別，這是由于斜交角度較大時(shí)，橫隔板扇形布置間距在1.35～3.5m范圍內(nèi)變化，部分位置橫隔板間距較密，且正交布置時(shí)有效節(jié)省了橫隔板材料用量，因此導(dǎo)致扇形布置鋼材用量稍大于正交布置?；钶d作用下，最不利總支座反力對(duì)于二種斜交角度均表現(xiàn)為斜置＞正置＞扇形，且在同一種橫隔板布置情況下，隨斜交角度的增加，活載最不利反力值增大；且橫隔板正置，對(duì)活載作用下的支座反力表現(xiàn)更敏感，隨斜交角的增大其支反力變化更大。

由以上分析可知：無論對(duì)于哪種斜交角度橋梁，橫隔板斜置時(shí)，其材料用量及活載作用下的支座反力均表現(xiàn)為最大。對(duì)于斜交角較小的鋼箱梁，可通過適當(dāng)調(diào)整橫隔板間距的扇形布置，達(dá)到材料更節(jié)省和活載作用下的最不利支座反力最小的效果。隨著橋梁斜交角的增大，扇形布置的材料用料逐漸超過正交布置，且存在部分橫隔板布置間距較密，不利于施工的情況。

4.3 彎矩

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，取基本組合作用下最不利受力3號(hào)梁格進(jìn)行對(duì)比，荷載設(shè)計(jì)值作用下主梁縱向彎矩情況對(duì)比見圖3。

圖3 主梁縱向彎矩圖

對(duì)于同一斜交角度簡(jiǎn)支鋼箱梁縱向彎矩值大小均表現(xiàn)為斜置＞扇形布置＞正置，橫隔板斜置時(shí)，隨著斜交角的增大，橋梁縱向彎矩值增大；橫隔板正向布置時(shí)，隨著斜交角的增大，橋梁縱向彎矩值反而減小，這是由于同樣間距布置的橫隔板隨斜交角度增大其材料自重大大減少，反而有利于減小結(jié)構(gòu)縱向彎矩。橫隔板扇形布置時(shí)，由于橫隔板間距的不一致，隨著斜交角的變化橋梁縱向彎矩值體現(xiàn)的差異不明顯。隨著斜交角的增大，橋梁縱向彎矩值增大。分析可知：橫隔板正置情況下，縱梁內(nèi)力最小，在橋梁斜交角較小時(shí)，扇形布置與正置內(nèi)力差別不大，隨著橋梁斜交角的增加，橫隔板正交布置對(duì)結(jié)構(gòu)的縱向彎矩的有利影響更加凸顯。

4.4 位移

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，活載作用下，變形最大梁格組位于梁邊的1號(hào)梁格，活載標(biāo)準(zhǔn)值作用下主梁豎向位移情況對(duì)比見圖4。

圖4 主梁豎向撓度圖

由對(duì)比圖可知，活載作用下豎向撓度值大小均為斜置＞扇形布置＞正置，隨著斜交角度的增大，正交布置時(shí)活載作用下豎向撓度降低較明顯，且45°斜交角鋼箱梁正交布置時(shí)，橫隔板材料用量相對(duì)其他布置方式較為節(jié)省，自重明顯減輕，而橫隔板的間距未變，使其恒載撓度明顯降低。

4.5 縱向應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，取標(biāo)準(zhǔn)組合作用下最不利受力2號(hào)梁格進(jìn)行縱向應(yīng)力對(duì)比，荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，最不利組合主梁縱向應(yīng)力情況對(duì)比見圖5。

圖5 主梁縱向應(yīng)力圖

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下最不利縱向應(yīng)力值大小。斜交角為15°時(shí)，斜置＞扇形布置＞正置；斜交角為45°時(shí)，斜置＞正置＞扇形布置，這是由于斜交角為45°且鋼箱梁橫隔板扇形布置時(shí)，部分橫隔板間距設(shè)置為1.35m，導(dǎo)致扇形布置時(shí)縱向最大應(yīng)力小于正交布置；橫隔板斜交布置時(shí)主梁縱向應(yīng)力明顯較其他兩種橫隔板布置方式大。

4.6 橫向向應(yīng)力

對(duì)比分析支座處橫隔板應(yīng)力，取標(biāo)準(zhǔn)組合作用下最不利組合橫向應(yīng)力情況對(duì)比見圖6。橫隔板應(yīng)力均表現(xiàn)為斜置＞扇形布置＞正置，無論橋梁斜交角度無關(guān)；且隨著斜交角度的增大，正交布置時(shí)不可避免地出現(xiàn)橋梁銳角處的橫隔板非連續(xù)布置，從而使橫隔板應(yīng)力的離散性變大，易出現(xiàn)應(yīng)力突變點(diǎn)。隨著橋梁斜交角的增大，橫隔板應(yīng)力相對(duì)增大。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于同等跨徑、寬度及板厚設(shè)置情況下，小斜交角度簡(jiǎn)支鋼箱梁橋的材料用量：斜置＞正置＞扇形；通過大部分橫隔板設(shè)置為正交，橋梁銳角一定范圍內(nèi)設(shè)置扇形橫隔板，可在一定程度上節(jié)省鋼材用量；隨著斜交角度的增大，橫隔板扇形布置對(duì)材料的節(jié)省優(yōu)勢(shì)喪失。

（2）橫隔板的布置方式對(duì)簡(jiǎn)支斜交鋼箱梁的影響主要體現(xiàn)在其剛度與布置間距上，在橫隔板布置形式相同的情況下，隨著簡(jiǎn)支鋼箱梁橋斜交角度的增大，橋梁的內(nèi)力、應(yīng)力均往更不利方向發(fā)展，且橫隔板正交布置時(shí)，隨著其自重的減少，活載作用下豎向撓度降低較為顯著。

（3）對(duì)于斜交簡(jiǎn)支鋼箱梁橋，無論從材料用量、結(jié)構(gòu)受力，還是施工便利性角度分析，橫隔板斜交布置在方案比選中均處于劣勢(shì)。

圖6 支座橫隔板應(yīng)力圖

（4）對(duì)于斜交簡(jiǎn)支鋼箱梁橋，橫隔板正交布置相較于扇形布置，其結(jié)構(gòu)撓度、內(nèi)力、應(yīng)力整體較好，且橫隔板正交布置較有利于施工，在小斜交角度橋梁范圍內(nèi)，其優(yōu)勢(shì)明顯；隨著橋梁斜交角的增大，雖然正交布置相對(duì)較大節(jié)省材料用量，但由于其支座位置附近橫隔板的不連續(xù)布置，存在不可避免地導(dǎo)致部分應(yīng)力集中點(diǎn)，若采用橫隔板正交布置，需對(duì)橋梁銳角部位設(shè)置局部加勁肋補(bǔ)強(qiáng)，或在銳角區(qū)域設(shè)置部分扇形橫隔板以改善其受力。