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钢箱梁桥的设计方法研究

时间:2024/6/11 8:29:35   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:3   评论:0
内容摘要:李志宇(中土大地国际建筑设计有限公司,河北 石家庄 050000)摘要 文章旨在研究钢箱梁的设计方法,文中结合其力学特征对钢箱梁各主要构成板件的受力特点及构造进行分析,并详细介绍了两种常用的设计方法,其中体系叠加设计方法在常规钢箱梁设计项目中更为实用。通过结合工程案例对...
李志宇
(中土大地国际建筑设计有限公司,河北 石家庄 050000)
摘要 文章旨在研究钢箱梁的设计方法,文中结合其力学特征对钢箱梁各主要构成板件的受力特点及构造进行分析,并详细介绍了两种常用的设计方法,其中体系叠加设计方法在常规钢箱梁设计项目中更为实用。通过结合工程案例对体系叠加设计方法作了补充介绍,最后针对几种特殊情况提出实用建议,可为类似工程提供参考。
关键词 钢箱梁;体系叠加;应力;有限元
中图分类号 U442.5  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)05-0069-03
0 引言
钢箱梁相比传统混凝土箱形截面,除了具有优良的抗弯、抗扭能力,同时还有传统钢筋混凝土结构不具备的自重轻、跨度大、安装工艺简单等优点,在城市桥梁建设中表现出色,广泛应用于城市地区的各类跨线立交、桥梁改造等工程中。钢箱梁的设计方法直接影响结构的可靠程度,更直接影响工程经济性和施工便捷性。因此,对钢箱梁设计方法的深入研究显得更为重要[1]。通过对钢箱梁案例的构造设计及力学性能进行分析,可为类似工程中的钢箱梁设计提供更多的参考。
1 钢箱梁的设计方法
1.1 钢箱梁受力特点
钢箱梁属于典型的薄壁结构,完整的钢箱梁一般包括顶板系统、隔板系统、腹板系统等主要的传力构件。其结构受力遵循了最短路径的规律,在整个钢箱梁的受力体系中,力会优先沿着刚度大的路径传递。按其传力路径,常规的钢箱梁设计中,将其主要分为三种传力体系:第一体系为主梁传力体系,由纵桥向腹板直接传递至各支座横梁,该路径受力明确,路径单一,是钢箱梁板式构件应力分析的主要控制路径。第二体系由顶板、顶板加劲肋及横隔板组成,传力路径为顶板纵向加劲肋传至跨间横隔板,该体系主要为桥面体系的局部受力,也是应力分析中的主要部分。第三体系为横向通过顶板传递至顶板纵向加劲肋,该体系为盖板体系[2],可理解为纵向加劲及横隔板作为桥面板的支承,桥面板直接承受了车轮的局部作用,并把荷载传递至纵向加劲及横隔板。一般情况下,钢箱梁的应力分析,应是三体系的叠加,但实际工程应用中,第三体系计算得到的应力往往较小,可忽略不计,故常规情况下,更多的是直接考虑第一体系及第二体系的叠加。
1.2 钢箱梁常用的设计方法
钢箱梁确定总体设计方案后,需根据其受力特点进行分析计算,验证方案的合理性,钢箱梁常用的设计方法,主要有两种:
(1)整体分析:该方法一般采用迈达斯等三维有限元软件建立整体的板壳单元模型,模型需要准确模拟包括顶板、隔板、腹板等在内的主要传力构件,然后在桥面系统添加轮载作用,通过软件对活载的最不利工况进行分析,得到最终的各板件的应力分布,再根据应力情况复核板件的厚度及尺寸。该方法同时考虑了主梁的纵向传力体系及桥面体系的局部受力,无需再考虑三体系叠加的设计思路。但钢箱梁桥的板件众多,该方法用时长,建模流程过于烦琐,且模型调整存在困难,一旦方案发生变化,需要投入大量的人力在模型调整中,不适用于常规桥梁设计。
(2)叠加计算:该方法一般为纵向杆系单元(第一体系)+桥面体系的局部分析(第二体系)。常规钢箱梁的纵向杆系单元一般简化为单梁模型,忽略了桥面体系的局部传力效应,故需额外考虑第二体系,分析第二体系通常采用的方法,主要有简化单梁法、等效格子梁法及局部板壳单元法等。叠加计算方法对方案的调整适应能力高,建模分析用时短,效率高,广泛应用于常规钢箱梁桥设计中。
2 钢箱梁设计
2.1 钢箱梁总体设计
在进行钢箱梁设计时,首先需要根据项目的场地建设条件、运输条件等确定钢箱梁的布置方案,确定合理的布置跨径,并根据跨径及经济性分析确定立面梁高。然后根据总体横断面布置方案,结合车轮作用位置、场地运输条件及安装条件等确定箱室的划分原则。再根据箱室宽度、箱室高度及加劲肋类型确定隔板类型及间距。最终根据第一体系、第二体系的分析,确定主要板件的厚度及尺寸。
2.2 顶、底板及腹板设计
顶、底板及腹板,是第一体系的主要传力构件,但顶板还承担了车轮的直接作用,第二体系效应显著,所以顶板系统的整体强度和局部稳定是设计重点。顶板系统主要由顶板、顶板纵向加劲肋组成,顶板的厚度除应满足国内钢结构桥梁设计规范对于正交异性钢桥面板的最小板厚要求外,还应结合顶板系统的抗疲劳性能适当增加板厚,以增强桥面系统的整体强度。为保证钢桥面板的局部刚度,还需要设置密集的纵向加劲肋,作为桥面系统强度的补充并同时增强桥面板的局部稳定能力。
钢箱梁腹板主要承担抗剪作用,但该板件通常因其高厚比过大而导致稳定性差,这个时候需要设置横向加劲肋以增强腹板的稳定性能,横向加劲肋设置时,需结合主梁的弯矩情况,设置在腹板的受压侧。为简化设计,在一些常规的钢箱梁桥设计中也会选择横向加劲肋及纵向加劲肋结合的方式,且横向加劲肋在腹板的上下缘均有布置。
底板相对顶板受力较为简单,第一体系的应力一般情况下可直接反映底板的真实受力,但在连续钢箱梁桥中,底板也存在正负弯矩交替的情况,对于支点处的底板需做局部加强。根据受力情况,确定底板厚度及底板加劲肋的布置,以满足底板的强度及局部稳定要求。
2.3 横隔板设计
横隔板系统主要包括支点横隔板、跨间横隔板及横向加劲板,其作用主要为加强箱形截面的横向稳定,有效增强截面抗扭能力,其中,支点横隔板是主梁第一体系传力的重要路径支承,跨间横隔板是顶板第二体系传力的重要路径支承,横隔板系统在一些多箱结构中也承担了荷载分配的作用。
支点横隔板直接承受主梁传递的荷载作用,再横向传递至支座,在设计中,可考虑简化为杆系构件,传递的荷载作用可简化为竖向力,作用位置为各腹板位置。支点横隔板一般由多横隔板组成,在进行横向分析时,横隔板可作为简化的杆系构件的腹板,支点横隔板的上下翼缘宽度可按钢结构桥梁设计规范的有效宽度计算得到。支点横隔板的隔板布置间距、个数及厚度等,均可按计算分析的应力情况确定[3]。
跨间横隔板对于顶底板的有效宽度起决定性的作用,也直接影响了顶板第二体系的应力情况,合理布置跨间横隔板,也是钢箱梁桥设计的重点之一。常规钢箱梁桥腹板间距有限,故跨间横隔板往往不受应力控制,主要由构造确定。隔板布置需结合梁高、腹板间距等确定,满足横向刚度要求,保证钢箱梁具备良好的横向抗扭能力。隔板的布置形式在钢结构桥梁设计规范中有着详细的规定[4],可结合桥梁总体构造按规范执行,隔板的间距需结合第二体系应力情况确定。同时,隔板设计时,为保证后期养护维修的条件,需考虑人孔设计,确保钢箱梁内部通达。
3 工程案例
3.1 设计方案
面丈港桥位于上海市金山区,根据河道规模及通航要求,结合场地条件,主桥的跨径组合采用30 m+35 m+
35 m+30 m=130 m,桥宽根据横断面布置采用分幅设计,单幅桥宽为18 m。桥梁设计荷载采用城-A级,结构安全等级为一级,按地震基本烈度7 °设防,地震动峰值加速度0.12 g。
面丈港桥结构形式采用单箱四室,全桥共设5道腹板。连续钢箱梁跨中正弯矩区底板厚16 mm,顶板厚16 mm,负弯矩区底板厚30 mm,顶板厚20 mm,顶板采用8 mm厚300×250的U形加劲肋形成正交异性钢桥面板体系,底板采用12 mm厚的板肋;腹板厚14 mm,采用12 mm厚的纵向加劲肋;横隔板标准纵向间距4 m,每两道横隔板之间设置一道横向加劲板,厚度12 mm;端支点及加强横隔板厚20 mm,中支点横隔板厚25 mm,其余标准横隔板厚12 mm,标准横断面布置如图1所示。
3.2 叠加分析
3.2.1 模型建立
对面丈港桥的总体设计方案作了计算分析,论证其合理性。该桥梁为常规钢箱梁桥,验证方法采用第一体系+第二体系叠加计算,计算软件采用桥梁博士V4.4.1,建立空间杆系有限元模型(如图2所示)+等效格子梁法(如图3所示)论证分析。


图3 第二体系—等效格子梁法模型

3.2.2 各体系应力计算结果
按施工阶段分别添加荷载,并考虑车辆作用及梯温效应后,主梁第一体系应力计算结果如图4、图5所示。


图4 第一体系—顶板应力包络图(MPa)


图5 第一体系—底板应力包络图(MPa)

第二体系应力计算结果如图6所示。


图6 第二体系—按连续梁计算的U肋正应力包络图
(MPa)

3.2.3 应力叠加汇总
钢箱梁顶板所受正应力共分为两部分:第一体系应力(纵向计算应力)及第二体系应力(顶板纵向计算应力),钢箱梁底板仅受第一体系应力,综合后钢箱梁所受应力如表1所示。
由计算结果可知,钢箱梁截面正应力计算满足要求,故总体设计方案可行,在后续设计中加强深化各板件构造即可。

表1 钢箱梁体系叠加应力汇总表
荷载工况 体系叠加应力/MPa
顶板 第一体系 最大拉应力 −103.5
最大压应力 103.5
第二体系 最大拉应力 −40.9
最大压应力 56.0
第一+
第二体系 最大拉应力 −144.4
最大压应力 159.5
底板 第一体系 最大拉应力 −108.4
最大压应力 116.9


4 结论
该文主要介绍了常规钢箱梁桥的设计方法,并结合工程案例进行了论证,为类似工程的钢箱梁桥设计提供了一定的参考。但在实际工程应用中,对于小半径曲线的单箱单室钢箱梁桥设计时,因弯桥的受力特性较直线桥梁复杂,弯扭耦合效应明显,内外腹板受力不均,此时如采用叠加计算方法,第一体系应当考虑采用梁格法,可较为准确地模拟各主腹板的应力及变形状态,但对于多箱单室曲线钢箱梁桥,因各箱的分担比例较单箱单室更为复杂,梁格体系不能真实地反映实际受力情况,建议采用整体分析,建立板壳单元模型[5]。

参考文献
[1]乔升访, 肖时辉, 唐文彬, 等. 基于智能监测的钢箱梁桥施工阶段受力性能分析[J]. 中国科技论文, 2021(10): 1061-1067. 
[2]余祥亮. 连续钢箱梁桥设计方法研究[J]. 交通科技, 2017(2): 60-62. 
[3]刘清, 罗昊冲, 杨敏. 钢箱梁实用设计分析[J]. 市政技术, 2015(4): 40-41+46. 
[4]公路钢结构桥梁设计规范: JTG D64—2015[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015. 
[5]于长晧, 宋文学, 李永, 等. 双箱单室曲线钢箱梁桥的不同建模方法计算结果对比分析[J]. 公路交通技术, 2018
(6): 58-63. 


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