鋼箱梁第二體系應力計算分析

任秋云

摘 要：在車輛荷載作用下，鋼箱梁正交異性鋼橋面板受力復雜。本文以某公路鋼箱梁橋為例，采用midas FEA實體仿真有限元軟件對比不同約束、不同加載位置的情況下鋼橋面板第二體系應力大小，從而得出第二體系計算時最不利的約束方式和加載方式，為類似設計、計算提供參考。

關鍵詞：正交異性鋼橋面板;第二體系;有限元;應力

中圖分類號：U448.27文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0106-03

Abstract： Under the action of vehicle load， the steel box girder orthotropic steel bridge deck bears complex forces. This paper took a highway steel box girder bridge as an example， used midas FEA entity simulation finite element software to compare the stress of the second system of steel bridge deck under different constraints and different loading positions， so as to obtain the most unfavorable constraint method and loading method in the calculation of the second system and provide reference for similar design and calculation.

Keywords： orthotropic steel bridge deck;second system;finite element;stress

鋼箱梁橋具有自重輕、跨越能力強，抗彎抗扭剛度大，鋼材拉壓性能一致，工廠制造、現場安裝、施工工期短，適應性強、適用范圍廣等優點，在工程中被國內外廣泛使用。鋼箱梁計算分析通常有兩種途徑。一是通過有限元分析，建立全橋模型。這種計算分析方式需要建立全橋有限元模型，一次得到整個結構的全部內力，結果詳細、全面，但計算所需資料龐大，建模過程復雜，分析耗時過長，對設計者的建模能力及計算機硬件要求較高，一般設計中不建議采用。二是將鋼箱梁按三個體系分別進行計算后綜合考慮。由于鋼箱梁結構各部件之間傳力明確，所以采用這種方式計算較為經濟、快捷。

第一體系為主梁體系，第二體系為橋面結構體系，第三體系為面板體系。實際應用中，第二體系比較接近實際的受力狀態，它的應力按正交異性板理論來計算。但是，第二體系應力分析目前還沒有明確的方式，特別是邊界條件的處理、車輛荷載的加載位置等。因此，筆者以某鋼箱梁為例，采用有限元分析軟件建立鋼箱梁局部模型，進行第二體系受力分析并得出結論，為類似設計計算提供參考。

1 工程概況

某匝道鋼箱梁橋跨徑布置為31 m+50 m+39.786 m，橋梁平面位于曲線段，橋寬為10.5 m，鋼箱梁采用單箱雙室斷面，梁高為2.2 m，頂板、底板、腹板厚度均為16 mm，頂底板在支點附近加厚至28 mm，箱室內頂底板采用U形加勁肋，厚度為8 mm，間距為550 mm，懸臂范圍頂板及腹板采用板肋，跨中橫隔板厚為14 mm，支點橫隔板厚為28 mm，橫隔板、橫肋順橋向間距為3 m，兩者交錯布置。該橋設計荷載為公路-Ⅰ級，其采用單向兩車道。鋼箱梁標準斷面圖如圖1所示。

2 模型建立

第一體系計算采用單梁模型，恒載包括鋼箱梁自重、支點處混凝土壓重、二期鋪裝護欄、基礎變位作用等，活載包含車道荷載、整體升降溫、溫度梯度作用。經計算，鋼箱梁頂緣最大應力出現在中跨跨中，應力大小為123.2 MPa。

第二體系計算采用有限元分析軟件建立鋼箱梁局部實體模型，本次建模截取順橋向4.5 m長度的梁段，包含兩道橫隔板和中間一道橫肋，橫橋向為全橋寬。根據第二體系理論，第二體系是由縱肋、橫肋和橋面板組成的橋面結構體系，其中，橋面板被看成是縱肋和橫肋共同的上翼緣，該體系支撐在主梁上，僅承受橋面車輪荷載，該體系也是沿橋縱向簡支在鋼箱梁的腹板上和沿橋橫向彈性支撐在橫隔板上的橋面板。因此，第二體系僅考慮車輛輪載，輪載橫橋向作用在兩主梁（腹板）中間，順橋向作用在兩橫梁（橫肋）中間，如圖2所示。

從圖6至圖9和表2可以看出，當車輛荷載作用在橋面板正中間時，第二體系頂板應力最大，荷載橫橋向偏離中心位置約15 cm，應力減少了42.186%，約為25 MPa，最大應力值為69.5 MPa，該結果未計入0.4的沖擊系數。綜合第一體系、第二體系的計算結果，計入沖擊系數0.4，鋼箱梁頂板應力=第一體系應力+1.4×第二體系應力=123.2+1.4×69.497 1=220.5 MPa<275 MPa，本例中頂板滿足強度理論要求。

4 結論

通過有限元實體仿真分析可知，第二體系計算車輛荷載，僅對車輪周圍小范圍橋面板影響較大，順橋向距離車輪邊緣20 cm范圍以外應力接近0，在車輪位置達到最大值。通過相同荷載條件、不同邊界條件的比較可知，約束加在腹板底部或者腹板頂部對結果的影響很小，可忽略不計，計算時只需要嚴格按照第二體系理論，把橋面板看作是順橋向簡支在鋼箱梁的腹板上和橫橋向彈性支撐在橫隔板上的薄板即可。通過相同邊界條件、不同的荷載加載位置的比較可知，汽車輪載橫橋向作用的位置對第二體系計算的影響較大，其在橋面板中心位置達到最大值。

第一體系理論淺顯易懂，計算方式均有成熟的理論知識和大量的實踐經驗作為參考，第二體系理論清晰，傳力方式明確，但計算方式尚不成熟，很多工程師均處于摸索探求階段。通過對實際案例進行驗算分析，筆者對第二體系應力分布及應力大小影響因素有一定的了解，在此基礎上提出一些可以減小第二體系應力的方法，比如適當減小腹板、橫隔板間距，適當增加鋪裝層厚度從而增大車輪在鋼橋面板上的受力面積等，使鋼箱梁的設計更合理、更安全。

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