大跨度波形鋼腹板組合梁橋橫隔板優化分析

史愛紅

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

大跨度波形鋼腹板箱梁與同等跨度預應力混凝土箱梁相比，腹板剛度小，整體扭轉剛度也較小，箱梁整體容易失穩。為了保證波形鋼腹板組合箱梁具有足夠的扭轉剛度并能實現體外預應力轉向，需設置適當數量的橫隔板[1]。但若橫隔板數量過多，不僅增加梁體自重，給施工帶來困難，還會失去比混凝土箱梁重量輕的優勢；若橫隔板數量較少，預應力布設較困難，箱梁整體的穩定性也不易保證。在已建橋梁中，橫隔板間距在9～29m之間。橫隔板不僅影響結構的抗彎、抗扭性能，也會影響結構的動力特性[2]。因此，對波形鋼腹板組合梁橋橫隔板的布設進行優化分析十分必要。

1 橋梁設計方案

某高速公路大橋位于甘肅省境內，橋址區地震動峰值加速度0.20 g，為跨越黃土沖溝的大跨度橋梁[3]?？紤]到地質條件較差、抗震要求較高，經過橋梁方案對比分析，推薦采用波形鋼腹板預應力混凝土剛構-連續箱梁設計。橋梁跨徑布置為（58+3×100+58）m，橋梁分幅設置，單幅寬12m；橋墩采用箱型薄壁墩，最大橋高86m，如圖1所示。

主梁單幅采用單箱單室截面，箱梁頂底板平行布置，波形鋼腹板垂直布置，箱梁頂寬為12m，底板寬度為6m。梁高和底板厚均采用二次拋物線規律由跨中向根部變化；跨中梁高3.2m，底板厚0.25m，根部梁高6.8m，底板厚0.8m。箱梁翼緣懸臂3m，懸臂端厚度0.2m，懸臂根部厚度0.7m，主梁典型橫斷面如圖2所示。

2 橫隔板優化分析

2.1 全橋有限元模型

采用有限元軟件MIDAS對波形鋼腹板組合箱梁的力學性能進行分析。箱梁頂板、底板、鋼腹板及橫隔板采用空間板單元模擬，薄壁墩、箱型墩均采用板單元模擬，0、1號塊采用實體單元模擬。橋臺、1號和4號橋墩墩頂處梁體可縱向自由活動，橫向按剛性約束考慮；2、3號墩與梁體固結，橋墩底部固結，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

通過改變波形鋼腹板組合箱梁橫隔板數量，計算結構扭轉頻率、箱梁應力。通過剛度及應力的變化，研究橫隔板對結構力學性能的影響規律。橫隔板設置方式具體如下：

（1）全橋不設置橫隔板；

（2）橫隔板間距約30m，中跨設2道橫隔板；

（3）橫隔板間距約14m，中跨設6道橫隔板；

（4）橫隔板間距約9m，中跨設10道橫隔板；

（5）橫隔板間距約6.7 m，中跨設14道橫隔板。

2.2 橫隔板優化分析

（1）橫隔板對扭轉剛度的影響

利用有限元模型分析橫隔板設置的五種情況，其模態分析結果如圖4所示。可知隨著橫隔板數量的增加，波形鋼腹板組合箱梁扭轉頻率逐漸增加，當橫隔板數量超過6道時，扭轉頻率增加幅度降低。結合造價、施工難度及剛度影響等因素綜合考慮得出，設置6～8道橫隔板較為適宜，橫隔板間距宜為10～15m。

圖4 橫隔板數量-扭轉頻率圖

（2）橫隔板對箱梁翹曲應力的影響

根據薄壁箱梁理論，橫隔板可以有效限制箱梁翹曲變形，減小箱梁翹曲應力[4]。利用有限元模型分析橫隔板設置的五種情況，考慮約束扭轉效應和剪力滯效應，在恒載、偏心活載作用下五種橫隔板設置方式的箱梁頂、底板截面峰值應力沿橋長分布情況分別如圖5、圖6所示。

圖5 箱梁頂板上緣正應力分布

圖6 箱梁底板下緣正應力分布

由圖5、圖6可見，隨著橫隔板數量的增加，頂板、底板峰值應力逐漸減小，箱梁翹曲應力逐漸減小，但效果并不明顯。這表明增多橫隔板數量能夠提高箱梁整體剛度，也可在一定程度上減小翹曲變形和翹曲應力。

3 橫隔板優化設計

本橋采用單室波形鋼腹板組合箱梁，根部梁高為6.8m，支點梁高為3.2m，波形鋼腹板厚度為12～20 cm，底板厚25 cm。根據對剛度、應力等方面的研究，結果認為橫隔板間距宜為10～15m，本橋箱梁橫隔板間距取12m，橫隔板厚50 cm，主梁及橫隔板布置如圖7、圖8所示。

圖7 波形鋼腹板組合箱梁構造（單位：m）

圖8 波形鋼腹板組合箱梁橫隔板局部放大圖（單位：cm）

4 結語

本文結合工程實例，通過改變波形鋼腹板組合箱梁橫隔板數量，計算結構扭轉頻率、箱梁應力；通過剛度及應力的變化，研究橫隔板對結構力學性能的影響規律，為將來該類橋梁的設計提供借鑒和參考。

（1）隨著設置橫隔板數量的增加，波形鋼腹板組合箱梁扭轉頻率逐漸增加。根據研究結果，得出橫隔板間距宜為10～15m。

（2）表明橫隔板數量的增多能夠提高箱梁整體剛度，頂板、底板峰值應力逐漸減小，并一定程度上減小了箱梁的翹曲應變和翹曲應力。

（3）根據上述研究成果確定了優化后的橫隔板間距設計。