鋼板梁橋主梁構造及橫向分布系數的計算

聶玉東，張靜元，李鵬飛

(1.黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江省公路工程造價站，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

鋼板梁橋是中小跨徑鋼橋最常用的形式，簡支鋼板梁橋經濟跨徑一般在40 m以下，當采用連續鋼板梁橋的結構形式時，經濟跨徑可以達到60 m。在我國，鋼板梁橋主要以工字型截面鋼板梁為主。對公路鋼板梁橋截面采用的主要構造形式及主梁橫向聯系方式進行介紹，并對鋼板梁橋主梁橫向分布系數的計算進行探討。

1 鋼板梁橋主梁構造

1.1 截面布置

鋼板梁橋上部結構橫斷面主要由工字型鋼板梁和鋼筋混凝土橋面板組成。鋼板梁橋橫斷面布置主要是確定主梁根數和間距。主梁的間距決定橋面板的跨徑，主梁間距過大時，往往需要設置小縱梁或較密的橫隔板來減少橋面板跨徑。一般情況下，鋼主梁間距在2.0～3.5 m之間，橋面板懸臂長度在1.0 m以內，橋面板跨中厚度控制在26 cm以內，懸臂版根部厚度控制在36 cm以內。近年來，也有鋼板梁橋采用雙主梁的設計思路，其主梁間距增大到10 m以上，橋面板跨中厚度在35 cm以上。

鋼板梁主梁斷面示意見圖1，簡支鋼板梁橋鋼梁高通常為12～25(為跨徑)。混凝土板的厚度按下式計算

=(30+110)

(1)

式中：為主梁間距，m；為與荷載大小有關的系數，根據我國車輛荷載情況，取值10～12。

對于鋼板梁橋，腹板剪應力一般較小，腹板厚度多數由穩定控制設計。為了保證腹板的穩定，受彎主梁腹板設置橫向加勁肋或者同時設置橫向加勁肋及水平加勁肋。當跨徑小于40 m時，腹板厚度一般9～12 mm。

圖1 鋼板梁斷面示意圖

1.2 橫向聯系

橫向聯結系的結構形式和數量主要由橋梁的整體橫向剛度和主梁的側向失穩要求控制設計。一般用格子剛度來衡量橋梁的整體橫向剛度，當大于10以上時，各主梁分擔的荷載大體均勻，橋梁的橫向剛度基本滿足要求。

(2)

1=

式中：為主梁跨長；為主梁間距；、為分別為橫梁、主梁的抗彎慣矩；1為換算為單根橫梁的換算剛度；為橫梁根數修正系數，橫梁根數為1～2根時，=1.0，橫梁根數為3～4根時，=1.6，橫梁根數為5～6根時，=2.6。

假設主梁跨度30 m，主梁間距為2.5 m，橫梁與主梁抗彎慣矩相同，在跨中設置1根橫梁時，根據上式可計算得到=36，大于10，各主梁分擔的荷載基本均勻。相關研究證實，從荷載橫向分配的角度看，橫梁道數過多沒有明顯效果，僅在端部設置兩道端橫梁，在跨中設置1～3道中橫梁即可。用于荷載橫向分布的橫梁要求有足夠的剛度，一般采用實腹式結構。另外，從防止主梁側向失穩的角度看，橫向聯結的數量不宜太少，間距一般不大于6 m，防止主梁側向失穩的橫梁剛度可以相對小一些，通常采用桁架式結構。

2 橫向分布系數計算

2.1 抗扭修正系數的計算

(1)抗扭剛度與抗彎剛度比值

鋼板梁截面抗扭剛度較弱，其與抗彎剛度比值較小。這里取9種鋼板梁常用的工字鋼截面，梁高1.0～2.95 m，計算鋼板梁扭剛度與抗彎剛度比值，結果見表1，可以看出：鋼板梁扭剛度與抗彎剛度比值范圍在2.6×10～2.05×10。

表1 鋼板梁扭剛度與抗彎剛度比值

(2)抗扭修正系數

抗扭修正系數按下式計算

(3)

式中：為主梁根數；為主梁中心距離橋梁中線距離，m；為主梁截面抗扭慣矩，m；為鋼材剪切模量，MPa；為鋼材彈性模量，MPa。

將式(3)變換如下

(4)

可以看出，值與主梁片數及主梁布置間距有關。這里以公路橋梁經常采用的12.5 m橋寬為例，對12.5 m寬的鋼板梁橋，當主梁片數分別為2、3、5、7時，值計算見表2，其值在1.43×10～3.10×10。

值為主梁抗扭慣矩與抗彎慣矩的比值，對一般鋼工字梁截面，值計算見表1，值在2.6×10～2.05×10。

將與相乘，可得·在3.74×10～6.36×10。

表2 A值計算表

對跨徑為20、30、40、50、60 m的簡支鋼板梁，按式(3)計算抗扭剛度修正系數值，見表3。可以看出：隨著跨徑的增加，抗扭剛度修正系數值減少。當跨徑達到60 m時，最小值為0.978，可近似取：=1。也就是說，對一般跨徑鋼板梁，在采用剛性橫梁法計算橫向分布系數時，可以不考慮主梁抗扭剛度修正。

表3 抗扭剛度修正系數計算表

2.2 荷載橫向分布系數

采用剛性橫梁法計算時，若不考慮主梁抗扭剛度修正，橫向分配系數僅與主梁橫向布置有關。計算在橋寬取值12.5 m情況下，主梁片數分別為2、3、4、5、6、7時鋼板梁橋的邊梁橫向分布系數及中梁橫向分布系數，列于表4中。可以看出：隨著主梁片數的增加，橫向分布系數減小。主梁片數由3片增加到7片時，邊梁橫向分布系數由1.227減小到0.637。主梁片數由3片增加到7片時，中梁橫向分布系數由0.667減小到0.521。中梁橫向分布系數變化較小。

表4 主梁片數與橫向分布系數、不均勻系數關系

2.3 荷載橫向分配不均勻系數

荷載橫向分配不均勻系數，表示最大荷載橫向分配系數與平均分配系數之比。例如，對車道數為2、橋寬為12.5 m的橋梁，當采用3片主梁時，平均分配系數為2/3=0.667，邊梁橫向分布系數為1.227，邊梁不均勻系數為=1.227/0.667=1.841。按此原則計算邊梁橫向分配不均勻系數及中梁橫向分配不均勻系數，列于表4中。可以看出：邊梁橫向分配不均勻系數1.558～2.230，中梁橫向分配不均勻系數1.001～1.824。

橫向分布系數β與不均勻系數的關系用式(5)表示。

(5)

邊梁不均勻系數與主梁片數n關系用式(6)表示，公式計算值與表4中數值對比見圖2。

圖2 主梁片數與邊梁不均勻系數關系

=ln(5)-01-06

(6)

中梁不均勻系數與主梁片數n關系用式(7)，公式計算值與表4中數值對比見圖3。

圖3 主梁片數與中梁不均勻系數關系

=ln()-01

(7)

3 結 語

(1)從荷載橫向分配的角度看，鋼板梁僅端部設置兩道端橫梁，在跨中設置1～3道中橫梁即可。

(2)對一般跨徑鋼板梁，在采用剛性橫梁法計算橫向分布系數時，可以不考慮主梁抗扭剛度修正。

(3)隨著鋼板梁橋主梁片數的增加，荷載橫向分布系數減小。邊梁荷載橫向分布系數的減小幅度大于中梁。

(4)無論鋼板梁由幾片主梁組成，邊梁荷載橫向分布系數大于中梁荷載橫向分布系數。

(5)對橋寬12.5 m的鋼板梁，可以根據主梁片數按式(5)式(6)式(7)方便計算出荷載橫向分配不均勻系數及荷載橫向分布系數。