鋼箱梁跨間橫隔板設計研究

張 駿，郭俊峰

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司 武漢市 430023)

0 引言

鋼箱梁橋是一種被廣泛使用的橋型，其截面是由頂底板和腹板焊接形成的薄壁結構，在恒載與活載作用下箱梁截面易發(fā)生畸變和面外變形，設置橫隔板及加勁肋能有效防止截面產生過大的變形，提高結構抗扭性能[1]。不少學者對斜拉橋采用的扁平鋼箱梁橫隔板第一類穩(wěn)定問題與第二類穩(wěn)定問題進行了研究[2-4]，對城市高架橋常用鋼箱梁斷面跨間橫隔板研究較少。

《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》(JTG D64—2015)對鋼箱梁橋橫隔板設計進行規(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，同時規(guī)定鋼箱梁跨間橫隔板應有足夠的強度與剛度，但規(guī)范只在條文說明中給出日本公路鋼結構橋梁設計指南中橫隔板剛度的計算方法。該方法給出橫隔板最大布置間距的經驗公式和在最大橫隔板布置間距下鋼箱梁橫隔板剛度要求，同時給出實腹式橫隔板、矩形框架式橫隔板和桁架式橫隔板剛度計算方法，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計常用的2～4m橫隔板布置間距，不方便指導橋梁設計。

以一單箱三室鋼箱梁為研究對象，采用有限元軟件進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橫隔板穩(wěn)定性的影響，針對規(guī)范中橫隔板設計建議進行了細化，給出了梁高度小于2.72m的鋼箱梁橫隔板設計建議，并以此進行武漢山湖大道項目鋼箱梁設計，為鋼箱梁橫隔板設計提供參考。

1 鋼箱梁橫隔板結構分析

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2.5m，中箱箱室寬5.1m，邊箱箱室寬5.2m。跨間橫隔板布置間距3m，橫隔板在距上緣800mm、下緣700mm、左右兩側腹板1000mm范圍內進行開孔處理，并在開孔邊緣設置200mm寬、10mm厚的開孔加勁肋，邊箱在兩道橫板間設置腹板橫向加勁肋，鋼箱梁典型橫斷面見圖1。選取9m鋼箱梁節(jié)段進行橫隔板結構分析，節(jié)段箱梁頂底板厚16m，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《城市橋梁設計規(guī)范》(CJJ 11—2011)城-A級車輛荷載進行橫隔板受力分析，城-A級車輛重軸重200kN，輪距1.8m，車輪著地的寬度×長度為0.6m×0.25m，汽車局部荷載作用的沖擊系數取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計算結果表明在城-A級汽車荷載作用下，橫隔板最大應力發(fā)生在橫隔板開孔倒角處，最大MISES應力為40.9 MPa，輪載處箱梁中箱與邊箱橫隔板豎向變形較為接近，汽車輪載對橫隔板開孔下方區(qū)域受力影響很小，橫隔板整體應力水平較低，遠低于Q345鋼材設計強度。同時結果表明橫隔板在距離頂板800mm處進行挖空處理后仍能滿足結構的強度要求，該措施減少橋梁鋼材用量且減小橋梁自重。計算表明橫隔板開孔加勁肋最大應力較橫隔板最大應力大，橫隔板開孔下側加勁肋應力較小，上側倒角處加勁肋應力最大，最大MISES應力為54.2MPa，橫隔板開孔上側加勁肋能有效參與結構受力。

圖3 輪載作用處橫隔板MISES應力云圖(單位：Pa)

計算結果表明在城-A級車輛荷載作用下正交異性鋼橋面板應力水平較低，說明橫隔板按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力，同時橫隔板間距按4m布置橋梁第二體系應力增加明顯，減小橫隔板間距，結構經濟性降低。

薄壁鋼箱梁的局部穩(wěn)定性也是設計控制因素，結構穩(wěn)定問題分析一般分為第一類穩(wěn)定問題與第二類穩(wěn)定問題，第一類穩(wěn)定問題為平衡分支問題，表現為求解結構彈性屈曲特征值，第二類穩(wěn)定問題為極值點失穩(wěn)問題，實質上是一個考慮了結構材料非線性、幾何非線性與初始缺陷等的結構極限承載力問題。基于第一類穩(wěn)定問題進行該橋橫隔板穩(wěn)定性研究。

基于上述模型在汽車荷載作用下進行結構特征值屈曲分析。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腹板橫向加勁肋，這表明邊箱橫隔板中間加設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)問題分析結果

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。

建議鋼箱梁橋設計時橫隔板間距按3m間距布置，此時正交異性鋼橋面板第二體系應力水平較低，鋼箱梁腹板具有較高的穩(wěn)定性，能滿足鋼結構規(guī)范中規(guī)定的橋梁橫隔板間距不宜大于4m的要求，同時結構經濟性較高。

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，通過改變橫隔板厚度與橫隔板開孔加勁肋厚度進行橫隔板穩(wěn)定性分析，見表3～表4。

表3 橫隔板厚度對箱梁穩(wěn)定性影響分析

表4 橫隔板開孔處加勁肋對箱梁穩(wěn)定性影響分析

由表3可知，橫隔板厚度變化對橫隔板穩(wěn)定性影響較大，橫隔板厚8～14mm時，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%，橫隔板最大應力增加幅度較小，橫隔板整體應力水平很低。當橫隔板厚度為16mm時，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。同時計算表明，橫隔板厚度變化對鋼橋面板應力影響很小。在進行橫隔板設計時，對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不經濟，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行加勁設計時，橫隔板一階失穩(wěn)特征值僅為3.64，當采用寬200mm的板肋進行開孔加勁后橫隔板穩(wěn)定性有明顯提升，但當加勁肋厚度大于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%，對橫隔板穩(wěn)定性的提高較小，橫隔板最大應力與加勁肋最大應力略有減小，但減小幅度不大。基于上訴分析，設計橫隔板開孔加勁肋是必要的，但通過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 鋼箱梁設計實例

基于上述分析，在滿足鋼結構橋梁設計規(guī)范的基礎上，進行了橫隔板設計內容的細化，給出了梁高小于2.72m的鋼箱梁橫隔板設計方案，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，該橫隔板設計方案能滿足鋼橋梁設計規(guī)范要求，同時鋼材用量較少，具有較好的經濟性。

武漢山湖大道項目的鋼箱梁橋采用該方案進行了橋梁設計，該鋼箱梁橋為跨線橋，汽車荷載等級采用城A級荷載，人群荷載按城市橋梁規(guī)范計算，跨徑組成為(43+63+45)m，橋寬20.5m，梁高2.72m，最終施工圖設計方案中橫隔板間距按3m設計，橫隔板厚度采用14mm，同時對橫隔板進行了開孔處理，橫隔板開孔加勁肋板厚10mm，寬200mm，該橫隔板設計方案指導下主梁結構受力滿足規(guī)范要求，結構用鋼量較少，具有較好的經濟性。

4 結語

(1)對于研究的鋼箱梁截面，橫隔板在城-A級汽車荷載作用下結構應力水平較低，其穩(wěn)定性是設計時的控制因素。從結構安全性與經濟性考慮，在鋼結構規(guī)范橫隔板設計要求的基礎上進行了細化，建議類似鋼箱梁截面橫隔板間距按3m設計，橫隔板厚度取12～14mm，既滿足結構穩(wěn)定性要求，同時也滿足結構強度與剛度要求。

(2)為減輕結構自重同時提高設計方案經濟性，橫隔板可進行開孔處理，但需在開孔邊緣設置加勁肋，建議類似鋼箱梁截面在設計時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行了鋼箱梁設計，結構具有較好的受力性能，同時具有較好的經濟性。