鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)方法研究

李志宇

摘要 文章旨在研究鋼箱梁的設(shè)計(jì)方法，文中結(jié)合其力學(xué)特征對(duì)鋼箱梁各主要構(gòu)成板件的受力特點(diǎn)及構(gòu)造進(jìn)行分析，并詳細(xì)介紹了兩種常用的設(shè)計(jì)方法，其中體系疊加設(shè)計(jì)方法在常規(guī)鋼箱梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目中更為實(shí)用。通過結(jié)合工程案例對(duì)體系疊加設(shè)計(jì)方法作了補(bǔ)充介紹，最后針對(duì)幾種特殊情況提出實(shí)用建議，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞 鋼箱梁；體系疊加；應(yīng)力；有限元

中圖分類號(hào) U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）05-0069-03

0 引言

鋼箱梁相比傳統(tǒng)混凝土箱形截面，除了具有優(yōu)良的抗彎、抗扭能力，同時(shí)還有傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不具備的自重輕、跨度大、安裝工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在城市橋梁建設(shè)中表現(xiàn)出色，廣泛應(yīng)用于城市地區(qū)的各類跨線立交、橋梁改造等工程中。鋼箱梁的設(shè)計(jì)方法直接影響結(jié)構(gòu)的可靠程度，更直接影響工程經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性。因此，對(duì)鋼箱梁設(shè)計(jì)方法的深入研究顯得更為重要[1]。通過對(duì)鋼箱梁案例的構(gòu)造設(shè)計(jì)及力學(xué)性能進(jìn)行分析，可為類似工程中的鋼箱梁設(shè)計(jì)提供更多的參考。

1 鋼箱梁的設(shè)計(jì)方法

1.1 鋼箱梁受力特點(diǎn)

鋼箱梁屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)，完整的鋼箱梁一般包括頂板系統(tǒng)、隔板系統(tǒng)、腹板系統(tǒng)等主要的傳力構(gòu)件。其結(jié)構(gòu)受力遵循了最短路徑的規(guī)律，在整個(gè)鋼箱梁的受力體系中，力會(huì)優(yōu)先沿著剛度大的路徑傳遞。按其傳力路徑，常規(guī)的鋼箱梁設(shè)計(jì)中，將其主要分為三種傳力體系：第一體系為主梁傳力體系，由縱橋向腹板直接傳遞至各支座橫梁，該路徑受力明確，路徑單一，是鋼箱梁板式構(gòu)件應(yīng)力分析的主要控制路徑。第二體系由頂板、頂板加勁肋及橫隔板組成，傳力路徑為頂板縱向加勁肋傳至跨間橫隔板，該體系主要為橋面體系的局部受力，也是應(yīng)力分析中的主要部分。第三體系為橫向通過頂板傳遞至頂板縱向加勁肋，該體系為蓋板體系[2]，可理解為縱向加勁及橫隔板作為橋面板的支承，橋面板直接承受了車輪的局部作用，并把荷載傳遞至縱向加勁及橫隔板。一般情況下，鋼箱梁的應(yīng)力分析，應(yīng)是三體系的疊加，但實(shí)際工程應(yīng)用中，第三體系計(jì)算得到的應(yīng)力往往較小，可忽略不計(jì)，故常規(guī)情況下，更多的是直接考慮第一體系及第二體系的疊加。

1.2 鋼箱梁常用的設(shè)計(jì)方法

鋼箱梁確定總體設(shè)計(jì)方案后，需根據(jù)其受力特點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證方案的合理性，鋼箱梁常用的設(shè)計(jì)方法，主要有兩種：

（1）整體分析：該方法一般采用邁達(dá)斯等三維有限元軟件建立整體的板殼單元模型，模型需要準(zhǔn)確模擬包括頂板、隔板、腹板等在內(nèi)的主要傳力構(gòu)件，然后在橋面系統(tǒng)添加輪載作用，通過軟件對(duì)活載的最不利工況進(jìn)行分析，得到最終的各板件的應(yīng)力分布，再根據(jù)應(yīng)力情況復(fù)核板件的厚度及尺寸。該方法同時(shí)考慮了主梁的縱向傳力體系及橋面體系的局部受力，無需再考慮三體系疊加的設(shè)計(jì)思路。但鋼箱梁橋的板件眾多，該方法用時(shí)長，建模流程過于煩瑣，且模型調(diào)整存在困難，一旦方案發(fā)生變化，需要投入大量的人力在模型調(diào)整中，不適用于常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)。

（2）疊加計(jì)算：該方法一般為縱向桿系單元（第一體系）+橋面體系的局部分析（第二體系）。常規(guī)鋼箱梁的縱向桿系單元一般簡化為單梁模型，忽略了橋面體系的局部傳力效應(yīng)，故需額外考慮第二體系，分析第二體系通常采用的方法，主要有簡化單梁法、等效格子梁法及局部板殼單元法等。疊加計(jì)算方法對(duì)方案的調(diào)整適應(yīng)能力高，建模分析用時(shí)短，效率高，廣泛應(yīng)用于常規(guī)鋼箱梁橋設(shè)計(jì)中。

2 鋼箱梁設(shè)計(jì)

2.1 鋼箱梁總體設(shè)計(jì)

在進(jìn)行鋼箱梁設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要根據(jù)項(xiàng)目的場地建設(shè)條件、運(yùn)輸條件等確定鋼箱梁的布置方案，確定合理的布置跨徑，并根據(jù)跨徑及經(jīng)濟(jì)性分析確定立面梁高。然后根據(jù)總體橫斷面布置方案，結(jié)合車輪作用位置、場地運(yùn)輸條件及安裝條件等確定箱室的劃分原則。再根據(jù)箱室寬度、箱室高度及加勁肋類型確定隔板類型及間距。最終根據(jù)第一體系、第二體系的分析，確定主要板件的厚度及尺寸。

2.2 頂、底板及腹板設(shè)計(jì)

頂、底板及腹板，是第一體系的主要傳力構(gòu)件，但頂板還承擔(dān)了車輪的直接作用，第二體系效應(yīng)顯著，所以頂板系統(tǒng)的整體強(qiáng)度和局部穩(wěn)定是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。頂板系統(tǒng)主要由頂板、頂板縱向加勁肋組成，頂板的厚度除應(yīng)滿足國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于正交異性鋼橋面板的最小板厚要求外，還應(yīng)結(jié)合頂板系統(tǒng)的抗疲勞性能適當(dāng)增加板厚，以增強(qiáng)橋面系統(tǒng)的整體強(qiáng)度。為保證鋼橋面板的局部剛度，還需要設(shè)置密集的縱向加勁肋，作為橋面系統(tǒng)強(qiáng)度的補(bǔ)充并同時(shí)增強(qiáng)橋面板的局部穩(wěn)定能力。

鋼箱梁腹板主要承擔(dān)抗剪作用，但該板件通常因其高厚比過大而導(dǎo)致穩(wěn)定性差，這個(gè)時(shí)候需要設(shè)置橫向加勁肋以增強(qiáng)腹板的穩(wěn)定性能，橫向加勁肋設(shè)置時(shí)，需結(jié)合主梁的彎矩情況，設(shè)置在腹板的受壓側(cè)。為簡化設(shè)計(jì)，在一些常規(guī)的鋼箱梁橋設(shè)計(jì)中也會(huì)選擇橫向加勁肋及縱向加勁肋結(jié)合的方式，且橫向加勁肋在腹板的上下緣均有布置。

底板相對(duì)頂板受力較為簡單，第一體系的應(yīng)力一般情況下可直接反映底板的真實(shí)受力，但在連續(xù)鋼箱梁橋中，底板也存在正負(fù)彎矩交替的情況，對(duì)于支點(diǎn)處的底板需做局部加強(qiáng)。根據(jù)受力情況，確定底板厚度及底板加勁肋的布置，以滿足底板的強(qiáng)度及局部穩(wěn)定要求。

2.3 橫隔板設(shè)計(jì)

橫隔板系統(tǒng)主要包括支點(diǎn)橫隔板、跨間橫隔板及橫向加勁板，其作用主要為加強(qiáng)箱形截面的橫向穩(wěn)定，有效增強(qiáng)截面抗扭能力，其中，支點(diǎn)橫隔板是主梁第一體系傳力的重要路徑支承，跨間橫隔板是頂板第二體系傳力的重要路徑支承，橫隔板系統(tǒng)在一些多箱結(jié)構(gòu)中也承擔(dān)了荷載分配的作用。

支點(diǎn)橫隔板直接承受主梁傳遞的荷載作用，再橫向傳遞至支座，在設(shè)計(jì)中，可考慮簡化為桿系構(gòu)件，傳遞的荷載作用可簡化為豎向力，作用位置為各腹板位置。支點(diǎn)橫隔板一般由多橫隔板組成，在進(jìn)行橫向分析時(shí)，橫隔板可作為簡化的桿系構(gòu)件的腹板，支點(diǎn)橫隔板的上下翼緣寬度可按鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的有效寬度計(jì)算得到。支點(diǎn)橫隔板的隔板布置間距、個(gè)數(shù)及厚度等，均可按計(jì)算分析的應(yīng)力情況確定[3]。

跨間橫隔板對(duì)于頂?shù)装宓挠行挾绕饹Q定性的作用，也直接影響了頂板第二體系的應(yīng)力情況，合理布置跨間橫隔板，也是鋼箱梁橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。常規(guī)鋼箱梁橋腹板間距有限，故跨間橫隔板往往不受應(yīng)力控制，主要由構(gòu)造確定。隔板布置需結(jié)合梁高、腹板間距等確定，滿足橫向剛度要求，保證鋼箱梁具備良好的橫向抗扭能力。隔板的布置形式在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中有著詳細(xì)的規(guī)定[4]，可結(jié)合橋梁總體構(gòu)造按規(guī)范執(zhí)行，隔板的間距需結(jié)合第二體系應(yīng)力情況確定。同時(shí)，隔板設(shè)計(jì)時(shí)，為保證后期養(yǎng)護(hù)維修的條件，需考慮人孔設(shè)計(jì)，確保鋼箱梁內(nèi)部通達(dá)。

3 工程案例

3.1 設(shè)計(jì)方案

面丈港橋位于上海市金山區(qū)，根據(jù)河道規(guī)模及通航要求，結(jié)合場地條件，主橋的跨徑組合采用30 m+35 m+

35 m+30 m=130 m，橋?qū)捀鶕?jù)橫斷面布置采用分幅設(shè)計(jì)，單幅橋?qū)挒?8 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載采用城-A級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，按地震基本烈度7 °設(shè)防，地震動(dòng)峰值加速度0.12 g。

面丈港橋結(jié)構(gòu)形式采用單箱四室，全橋共設(shè)5道腹板。連續(xù)鋼箱梁跨中正彎矩區(qū)底板厚16 mm，頂板厚16 mm，負(fù)彎矩區(qū)底板厚30 mm，頂板厚20 mm，頂板采用8 mm厚300×250的U形加勁肋形成正交異性鋼橋面板體系，底板采用12 mm厚的板肋；腹板厚14 mm，采用12 mm厚的縱向加勁肋；橫隔板標(biāo)準(zhǔn)縱向間距4 m，每兩道橫隔板之間設(shè)置一道橫向加勁板，厚度12 mm；端支點(diǎn)及加強(qiáng)橫隔板厚20 mm，中支點(diǎn)橫隔板厚25 mm，其余標(biāo)準(zhǔn)橫隔板厚12 mm，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖1所示。

3.2 疊加分析

3.2.1 模型建立

對(duì)面丈港橋的總體設(shè)計(jì)方案作了計(jì)算分析，論證其合理性。該橋梁為常規(guī)鋼箱梁橋，驗(yàn)證方法采用第一體系+第二體系疊加計(jì)算，計(jì)算軟件采用橋梁博士V4.4.1，建立空間桿系有限元模型（如圖2所示）+等效格子梁法（如圖3所示）論證分析。

3.2.2 各體系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

按施工階段分別添加荷載，并考慮車輛作用及梯溫效應(yīng)后，主梁第一體系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

第二體系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

3.2.3 應(yīng)力疊加匯總

鋼箱梁頂板所受正應(yīng)力共分為兩部分：第一體系應(yīng)力（縱向計(jì)算應(yīng)力）及第二體系應(yīng)力（頂板縱向計(jì)算應(yīng)力），鋼箱梁底板僅受第一體系應(yīng)力，綜合后鋼箱梁所受應(yīng)力如表1所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，鋼箱梁截面正應(yīng)力計(jì)算滿足要求，故總體設(shè)計(jì)方案可行，在后續(xù)設(shè)計(jì)中加強(qiáng)深化各板件構(gòu)造即可。

4 結(jié)論

該文主要介紹了常規(guī)鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合工程案例進(jìn)行了論證，為類似工程的鋼箱梁橋設(shè)計(jì)提供了一定的參考。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于小半徑曲線的單箱單室鋼箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)，因彎橋的受力特性較直線橋梁復(fù)雜，彎扭耦合效應(yīng)明顯，內(nèi)外腹板受力不均，此時(shí)如采用疊加計(jì)算方法，第一體系應(yīng)當(dāng)考慮采用梁格法，可較為準(zhǔn)確地模擬各主腹板的應(yīng)力及變形狀態(tài)，但對(duì)于多箱單室曲線鋼箱梁橋，因各箱的分擔(dān)比例較單箱單室更為復(fù)雜，梁格體系不能真實(shí)地反映實(shí)際受力情況，建議采用整體分析，建立板殼單元模型[5]。

參考文獻(xiàn)

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