某系桿拱橋鋼拱肋橫隔板設計

陳山山

（上海千年城市規劃工程設計股份有限公司,上海市 201108）

0 引言

隨著國民經濟的發展，鋼結構在建筑、橋梁等結構上應用越來越廣泛。然而，鋼結構的穩定問題是鋼結構的最重要問題之一，而橫隔板又是鋼箱結構保持穩定的重要構件[1]。

鋼拱截面較大，橫隔板需設置人孔，來完成鋼箱室內橫隔板焊接，而小截面鋼箱橫隔板尺寸過小無法設置人孔，導致橫隔板至少有一邊無法焊接，無法達到設計要求。所以此處的細節設計問題需要改進，以提高整體結構的耐久性和使用壽命。

1 工程概況

某系桿拱橋采用下承式變截面鋼箱雙拱，跨徑42.5 m+62 m+28.5 m=133 m，不等跨三連拱，整體呈現出飄帶形。總體布置如圖1所示。

圖 1 系桿拱橋總體布置（單位:m）

橋梁總寬9.4 m，橋面中間設置人行道及機動車道斷面，兩側對稱設置拱肋。具體尺寸為：1.4 m（拱肋區）+0.3 m（欄桿）+6 m（人行道及機動車道）+0.3 m（欄桿）+1.4 m（拱肋區）=9.4 m。

三連鋼箱系桿拱橋，三跨矢高分別為10 m、17 m、6.7 m，矢跨比約為1/3.7。主拱采用變截面鋼箱拱，拱肋采用箱型截面，拱頂截面高0.66 m，拱底高3 m，中間線性變化，箱拱寬0.8 m，壁厚20 mm。主拱肋斷面如圖2所示。

圖2 拱肋斷面圖（單位:mm）

主梁采用縱橫梁體系，2根縱梁與拱肋位置的2根系桿組成主梁的縱梁，縱梁為0.5 m×0.5 m×20 mm工字鋼，系桿為0.4 m×0.5 m×30 mm工字鋼，橋面板厚12 mm。

橫梁分為端橫梁和中橫梁。端橫梁采用箱型斷面，高1 m，寬1 m，頂板厚12 mm，腹板、底板厚20 mm。中橫梁高0.5m，寬0.5 m，每隔4 m設置1道。

本橋共采用21對吊桿，三跨分別設置7、11、3對吊桿。吊桿間距4 m，對應拉在主梁的中橫梁處。

2 拱肋橫隔板設置

主拱采用變截面鋼箱拱，拱肋采用箱型截面。為了保證拱肋穩定，箱拱內需設置一定數量的橫隔板[2]，防止在受力上以軸向受壓為主的鋼拱肋失穩。

2.1 非拱肋頂范圍橫隔板

橫隔板沿拱軸線每隔2.2~2.5 m設置1道，吊桿位置必須設置1道。

橫隔板厚16 mm，為保證鋼箱內部焊接質量，在橫隔板上設置直徑500 mm人孔。

2.2 拱肋頂范圍橫隔板

拱肋為變截面鋼箱拱，拱頂處尺寸為660mm×800 mm，由于縱向加筋肋的設置，在拱頂10 m范圍內,箱梁尺寸過小，橫隔板無法設置人孔。箱梁焊接時，無法從鋼箱內部焊接。而從外部焊接只能在頂板焊接前焊接橫隔板，這樣內部橫隔板與頂板的焊接將無法保證。

2.3 拱肋頂橫隔板特殊設計

為解決小截面鋼箱橫隔板無法焊接的問題，本文提出一種橫隔板的特殊設計方法，如圖3所示。

圖3 拱肋頂橫隔板設計圖（單位:mm）

利用鋼拱曲線施工分段，將鋼箱拱頂板斷開，橫隔板在斷開位置伸出頂板，伸出長度為30 mm，方便焊接。

施工時，先將橫隔板與底板、腹板焊接好，再蓋上頂板，焊接頂板與腹板、頂板與橫隔板。這樣將本應在內部封閉焊接的工作都釋放到開放界面焊接，使各個板件間都能焊接，同時又提高了焊接的質量。

橫隔板伸出頂板的30 mm位于拱肋最高處頂部，且尺寸較小，不會影響該橋的整體景觀效果。

3 局部有限元分析

利用Midas civil 8.3.2建立拱肋拱頂節段局部有限元模型。

取拱頂4 m節段進行建模，該節段中共2塊橫隔板，橫隔板間距2 m。拱肋主要為受壓結構，所以本次建模不考慮拱肋的彎曲。

3.1 有限元模型

分別建立兩個拱肋有限元模型進行對比，見圖4。其中模型1為常規做法；模型2為橫隔板伸出拱肋頂板做法（本橋橫隔板特殊設計做法）。

圖4 有限元模型

模型1：節點4 651個；實體單元2 960個；材料為Q345qC。

模型2：節點4 669個；實體單元2 936個；材料為Q345qC。

通過全橋有限元模型，從中提取出拱肋頂部最大內力，整體模型中提出的最大軸力為1 000 kN,對應的彎矩為667 kN·m。以節點荷載形式加于拱肋模型一端。

3.2 計算結果

各板件應力結果如表1所示。

表1 各板件應力匯總表 MPa

由表1可知，兩模型應力主要差別為頂板應力，模型2頂板應力為模型1的2.75倍。模型2的應力最大點出現在頂板與橫隔板交線角點處，如圖5所示。鈍化該角點后，最大應力值為66 MPa，位置在橫隔板兩側10 cm的頂板處，如圖6所示；該值為模型1頂板最大應力的1.6倍，已小于底板的最大應力。

圖5 模型2橫隔板處頂板應力等值線圖

圖 6模型2鈍化角點后頂板應力等值線圖

3.3 計算結果分析

經有限元模型對比，本橋橫隔板特殊設計做法與常規做法相比，頂板局部應力為110 MPa，滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》[3]要求。在不考慮頂板局部角點應力的情況下，各板件應力值基本相同，僅頂板應力最大值由40 MPa增大到66 MPa，相差并不大，且不為控制應力。所以本橋橫隔板特殊設計的做法在理論上是可行的。

4 結語

針對小截面鋼箱橫隔板無法設計人孔，造成至少有一面無法焊接的問題，本文所提出的特殊的橫隔板設計方法可利用鋼板本身的節段進行橫隔板焊接。由于其突出部分位于拱肋最高處頂部，并不影響景觀效果，因此這種橫隔板的設計方法使各個板件間都能焊接，同時又提高了焊接的質量。

本設計方法解決了本工程拱肋橫隔板的設計施工問題，也為其他工程中類似構造問題提供了一定的參考價值。