鋼箱梁跨間橫隔板設(shè)計(jì)研究

張 駿，郭俊峰

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 武漢市 430023)

0 引言

鋼箱梁橋是一種被廣泛使用的橋型，其截面是由頂?shù)装搴透拱搴附有纬傻谋”诮Y(jié)構(gòu)，在恒載與活載作用下箱梁截面易發(fā)生畸變和面外變形，設(shè)置橫隔板及加勁肋能有效防止截面產(chǎn)生過(guò)大的變形，提高結(jié)構(gòu)抗扭性能[1]。不少學(xué)者對(duì)斜拉橋采用的扁平鋼箱梁橫隔板第一類穩(wěn)定問(wèn)題與第二類穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究[2-4]，對(duì)城市高架橋常用鋼箱梁斷面跨間橫隔板研究較少。

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)對(duì)鋼箱梁橋橫隔板設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)定，為保證正交異性鋼橋面板的剛度與受力性能，鋼箱梁橫向加勁肋或橫隔板間距不宜大于4m，同時(shí)規(guī)定鋼箱梁跨間橫隔板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度與剛度，但規(guī)范只在條文說(shuō)明中給出日本公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)指南中橫隔板剛度的計(jì)算方法。該方法給出橫隔板最大布置間距的經(jīng)驗(yàn)公式和在最大橫隔板布置間距下鋼箱梁橫隔板剛度要求，同時(shí)給出實(shí)腹式橫隔板、矩形框架式橫隔板和桁架式橫隔板剛度計(jì)算方法，但如表1所示日本規(guī)范給出的公式中橫隔板間距一般大于設(shè)計(jì)常用的2～4m橫隔板布置間距，不方便指導(dǎo)橋梁設(shè)計(jì)。

以一單箱三室鋼箱梁為研究對(duì)象，采用有限元軟件進(jìn)行鋼箱梁橫隔板受力分析，研究橫隔板厚度與橫隔板開孔處加勁肋厚度對(duì)橫隔板穩(wěn)定性的影響，針對(duì)規(guī)范中橫隔板設(shè)計(jì)建議進(jìn)行了細(xì)化，給出了梁高度小于2.72m的鋼箱梁橫隔板設(shè)計(jì)建議，并以此進(jìn)行武漢山湖大道項(xiàng)目鋼箱梁設(shè)計(jì)，為鋼箱梁橫隔板設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼箱梁橫隔板結(jié)構(gòu)分析

研究的鋼箱梁為單箱三室截面，梁高2.72m，梁寬20.5m，箱梁挑臂長(zhǎng)2.5m，中箱箱室寬5.1m，邊箱箱室寬5.2m?？玳g橫隔板布置間距3m，橫隔板在距上緣800mm、下緣700mm、左右兩側(cè)腹板1000mm范圍內(nèi)進(jìn)行開孔處理，并在開孔邊緣設(shè)置200mm寬、10mm厚的開孔加勁肋，邊箱在兩道橫板間設(shè)置腹板橫向加勁肋，鋼箱梁典型橫斷面見圖1。選取9m鋼箱梁節(jié)段進(jìn)行橫隔板結(jié)構(gòu)分析，節(jié)段箱梁頂?shù)装搴?6m，腹板厚14mm，橫隔板厚14mm，鋼箱梁鋼材采用Q345qd。

圖1 鋼箱梁橫斷面示意圖

采用通用有限元軟件建立節(jié)段鋼箱梁模型，鋼箱梁鋼板采用SHELL63單元模擬，鋼板彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.31，有限元模型見圖2。

圖2 鋼箱梁節(jié)段有限元模型

采用《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)城-A級(jí)車輛荷載進(jìn)行橫隔板受力分析，城-A級(jí)車輛重軸重200kN，輪距1.8m，車輪著地的寬度×長(zhǎng)度為0.6m×0.25m，汽車局部荷載作用的沖擊系數(shù)取0.4。橫隔板最不利荷載工況為車輛荷載重軸作用于橫隔板處箱梁頂板，橫橋向按1.3m間距并排布置4輛汽車的重軸位于橫隔板處。

圖3計(jì)算結(jié)果表明在城-A級(jí)汽車荷載作用下，橫隔板最大應(yīng)力發(fā)生在橫隔板開孔倒角處，最大MISES應(yīng)力為40.9 MPa，輪載處箱梁中箱與邊箱橫隔板豎向變形較為接近，汽車輪載對(duì)橫隔板開孔下方區(qū)域受力影響很小，橫隔板整體應(yīng)力水平較低，遠(yuǎn)低于Q345鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度。同時(shí)結(jié)果表明橫隔板在距離頂板800mm處進(jìn)行挖空處理后仍能滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，該措施減少橋梁鋼材用量且減小橋梁自重。計(jì)算表明橫隔板開孔加勁肋最大應(yīng)力較橫隔板最大應(yīng)力大，橫隔板開孔下側(cè)加勁肋應(yīng)力較小，上側(cè)倒角處加勁肋應(yīng)力最大，最大MISES應(yīng)力為54.2MPa，橫隔板開孔上側(cè)加勁肋能有效參與結(jié)構(gòu)受力。

圖3 輪載作用處橫隔板MISES應(yīng)力云圖(單位：Pa)

計(jì)算結(jié)果表明在城-A級(jí)車輛荷載作用下正交異性鋼橋面板應(yīng)力水平較低，說(shuō)明橫隔板按3m間距布置能使橋面板具有足夠的剛度，能有效降低鋼箱梁的第二體系應(yīng)力，同時(shí)橫隔板間距按4m布置橋梁第二體系應(yīng)力增加明顯，減小橫隔板間距，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性降低。

薄壁鋼箱梁的局部穩(wěn)定性也是設(shè)計(jì)控制因素，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題分析一般分為第一類穩(wěn)定問(wèn)題與第二類穩(wěn)定問(wèn)題，第一類穩(wěn)定問(wèn)題為平衡分支問(wèn)題，表現(xiàn)為求解結(jié)構(gòu)彈性屈曲特征值，第二類穩(wěn)定問(wèn)題為極值點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)考慮了結(jié)構(gòu)材料非線性、幾何非線性與初始缺陷等的結(jié)構(gòu)極限承載力問(wèn)題?；诘谝活惙€(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行該橋橫隔板穩(wěn)定性研究。

基于上述模型在汽車荷載作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征值屈曲分析。鋼箱梁前五階失穩(wěn)的特征值見表2。前三階失穩(wěn)模態(tài)均為橫隔板失穩(wěn)，第一階失穩(wěn)模態(tài)為中箱橫隔板失穩(wěn)，失穩(wěn)模態(tài)見圖4，失穩(wěn)特征值為7.189。第三階失穩(wěn)模態(tài)為邊箱橫隔板失穩(wěn)，模型中邊箱與中箱荷載較為接近，但邊箱橫隔板失穩(wěn)特征值較中箱橫隔板失穩(wěn)特征值高25.8%，邊箱在橫隔板中間加設(shè)腹板橫向加勁肋，這表明邊箱橫隔板中間加設(shè)的腹板橫向加勁肋能有效提高橫隔板的穩(wěn)定性；該橋第四階失穩(wěn)模態(tài)才是鋼箱梁腹板失穩(wěn)，這表明該橋鋼箱梁腹板穩(wěn)定性高于橫隔板穩(wěn)定性。

表2 鋼箱梁第一類失穩(wěn)問(wèn)題分析結(jié)果

圖4 鋼箱梁第一階失穩(wěn)模態(tài)(失穩(wěn)特征值=7.189)

鋼箱梁節(jié)段分析表明，鋼箱梁在城-A級(jí)荷載作用下橫隔板失穩(wěn)特征值大于4，橫隔板具有足夠的穩(wěn)定性，同時(shí)按3m間距布置橫隔板能有效提高腹板穩(wěn)定性。

建議鋼箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)橫隔板間距按3m間距布置，此時(shí)正交異性鋼橋面板第二體系應(yīng)力水平較低，鋼箱梁腹板具有較高的穩(wěn)定性，能滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中規(guī)定的橋梁橫隔板間距不宜大于4m的要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較高。

2 橫隔板穩(wěn)定性影響因素分析

橫隔板厚度及加勁肋剛度是影響橫隔板穩(wěn)定性的重要因素，基于上述截面，通過(guò)改變橫隔板厚度與橫隔板開孔加勁肋厚度進(jìn)行橫隔板穩(wěn)定性分析，見表3～表4。

表3 橫隔板厚度對(duì)箱梁穩(wěn)定性影響分析

表4 橫隔板開孔處加勁肋對(duì)箱梁穩(wěn)定性影響分析

由表3可知，橫隔板厚度變化對(duì)橫隔板穩(wěn)定性影響較大，橫隔板厚8～14mm時(shí)，箱梁一階失穩(wěn)為橫隔板失穩(wěn)，橫隔板每減少2mm，橫隔板一階失穩(wěn)特征值減少約30%，橫隔板最大應(yīng)力增加幅度較小，橫隔板整體應(yīng)力水平很低。當(dāng)橫隔板厚度為16mm時(shí)，箱梁一階失穩(wěn)模態(tài)為箱梁腹板失穩(wěn)，橫隔板穩(wěn)定性高于腹板穩(wěn)定性。同時(shí)計(jì)算表明，橫隔板厚度變化對(duì)鋼橋面板應(yīng)力影響很小。在進(jìn)行橫隔板設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于本文分析箱梁截面橫隔板厚度宜采用12mm或14mm，橫隔板厚度大于14mm不經(jīng)濟(jì)，厚度小于12mm橫隔板穩(wěn)定性不足。

由表4可知，上述截面在橫隔板開孔后不進(jìn)行加勁設(shè)計(jì)時(shí)，橫隔板一階失穩(wěn)特征值僅為3.64，當(dāng)采用寬200mm的板肋進(jìn)行開孔加勁后橫隔板穩(wěn)定性有明顯提升，但當(dāng)加勁肋厚度大于8mm后，加勁肋厚度每增加2mm，橫隔板一階失穩(wěn)特征值增加約4.7%～8.8%，對(duì)橫隔板穩(wěn)定性的提高較小，橫隔板最大應(yīng)力與加勁肋最大應(yīng)力略有減小，但減小幅度不大?；谏显V分析，設(shè)計(jì)橫隔板開孔加勁肋是必要的，但通過(guò)增加橫隔板開孔加勁肋厚度提高橫隔板穩(wěn)定性的效率較低，建議類似本文研究的鋼箱梁截面橫隔板開孔加勁肋厚度采用10～12mm，寬度采用200mm。

3 鋼箱梁設(shè)計(jì)實(shí)例

基于上述分析，在滿足鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了橫隔板設(shè)計(jì)內(nèi)容的細(xì)化，給出了梁高小于2.72m的鋼箱梁橫隔板設(shè)計(jì)方案，方案建議橫隔板間距采用3m，橫隔板厚度采用12mm或14mm，橫隔板開孔加勁肋采用10mm，寬度采用200mm，該橫隔板設(shè)計(jì)方案能滿足鋼橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)鋼材用量較少，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

武漢山湖大道項(xiàng)目的鋼箱梁橋采用該方案進(jìn)行了橋梁設(shè)計(jì)，該鋼箱梁橋?yàn)榭缇€橋，汽車荷載等級(jí)采用城A級(jí)荷載，人群荷載按城市橋梁規(guī)范計(jì)算，跨徑組成為(43+63+45)m，橋?qū)?0.5m，梁高2.72m，最終施工圖設(shè)計(jì)方案中橫隔板間距按3m設(shè)計(jì)，橫隔板厚度采用14mm，同時(shí)對(duì)橫隔板進(jìn)行了開孔處理，橫隔板開孔加勁肋板厚10mm，寬200mm，該橫隔板設(shè)計(jì)方案指導(dǎo)下主梁結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)用鋼量較少，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于研究的鋼箱梁截面，橫隔板在城-A級(jí)汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，其穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)時(shí)的控制因素。從結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性考慮，在鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范橫隔板設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)化，建議類似鋼箱梁截面橫隔板間距按3m設(shè)計(jì)，橫隔板厚度取12～14mm，既滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，同時(shí)也滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度要求。

(2)為減輕結(jié)構(gòu)自重同時(shí)提高設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性，橫隔板可進(jìn)行開孔處理，但需在開孔邊緣設(shè)置加勁肋，建議類似鋼箱梁截面在設(shè)計(jì)時(shí)橫隔板開孔加勁肋厚度采用10mm，寬度采用200mm。

(3)武漢山湖大道基于上述建議方案進(jìn)行了鋼箱梁設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)具有較好的受力性能，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。