连续钢箱梁桥设计方法研究

Transportation Science &- Technology

交通科技

Serial No. 281No. 2 Apr. 2017

DOI 10. 3963/j. issn. 1671-7570. 2017. 02. 019

连续钢箱梁桥设计方法研究

余祥亮

(中铁大桥局集团有限公司设计分公司武汉430050)

摘要针对连续钢箱梁桥设计中三体系叠加理论的精度问题，以广东省某高速公路连续钢箱梁 设计为工程背景，分别采用三体系叠加理论和空间板单元整体建模进行计算分析对比，得出2种 计算方法纵向应力结果较吻合的结论，而三体系叠加理论计算简便、建模周期短，建议结构设计试 算时优先采用。

关键词钢箱梁三体系叠加法板单元法桥梁设计

1 工程概况

16,20,24,30 mm 4 种；腹板厚度为 14,20 mm 2种。顶板、底板、腹板不同板厚对接时厚度变化 都在箱梁外侧进行，保持箱梁内侧平顺。钢箱梁

每3 m设一道纵向横隔板，在支座附近横隔板加 密，以增强其整体刚度。顶板采用U形纵肋、底 板和腹板采用球扁钢纵肋。箱体及分块节段间连 接全部采用焊接。

m+95 m+66. 5m连续钢箱梁，箱梁顶宽23. 75

m、底宽17. 81 m、翼缘悬臂长3 m，梁高2. 5〜 4.5 m，梁高变化采用圆曲线。主桥立面布置见

图1。箱梁采用单箱四室结构，顶板厚度根据受 力不同分为16,20,24,30 mm 4种；底板厚度为

广东某高速公路主线上跨宝安大道采用66. 5

2主要技术标准

5) 行车道数量。单向4车道+辅助车道。

6) 桥面横坡。2%。

7) 桥梁结构设计使用年限:1〇〇年。1) 道路等级。局速公路。

2) 桥幅宽度布置。主桥为整体式，桥幅宽 8) 地震动峰值加速度。0. 10心度：0• 5 m(防撞护栏）+22. 75 m(行车道）+0• 5

3结构设计

m(防撞护栏）=23. 75 m。

3.1方法一。三体系叠加理论计算3) 设计行车速度。100 km/h。

钢桥面由顶板和纵横向加劲肋组成，作为主 4) 设计荷载。公路-I级。

收稿日期：

2016-12-27

梁的一部分参与主梁共同受力。钢桥中采用的钢 桥面板，一般纵肋布置较密，横肋分布较疏，桥面

2017年第2期

余祥亮：连续钢箱梁桥设计方法研究61

板纵横方向的刚度不同，即钢桥面板纵横方向的 受力特性为各向异性，因此这种钢桥面板也称为 正交异性板，目前已成为世界上大、中跨度钢桥所 普遍采用的一种桥面结构形式。由于正交异性钢 桥面板的受力分析很复杂，国内桥梁设计规范均 采用近似方法进行计算分析〜2]。

正交异性钢桥面板不仅作为桥面板直接承受 车轮荷载，而且作为主梁的上翼缘与主梁共同参 与工作。钢桥面板的受力常简化为以下3个结构 体系：第一体系，即主梁体系，由盖板及纵、横肋组 成的正交异性板作为主梁上翼缘参与全桥受力； MPa，顶板纵肋底最大应力为72. 1 MPa，底板底

最大应力为153. 5 MPa。

2)第二体系。桥面系体系计算。偏于安全 将面板及其纵肋在车辆荷载作用时按3 m跨度 的多跨连续梁进行内力分析。纵肋的计算分析计 算见图3。

图3纵肋计算图示(单位：)

m

根据规范单个轮重70 kN，轮宽0. 6 m，考虑 第二体系，即桥面体系，由盖板及纵、横肋组成的 结构，承受桥面车轮荷载;第三体系，即盖板体系， 指支承在纵、横加劲肋上的盖板，仅承受车轮局部 荷载，并把荷载传递给纵、横加劲肋。在传统的计 算分析方法中一般将3个基本体系分别计算，然 后叠加。其中第一体系通常采用杆系方法计算； 第二体系通常按正交异性板进行分析；第三体系 把盖板视为各向同性连续板，通常采用弹性薄板 理论进行分析[3_4]。

钢桥面板在互相垂直的2个方向上刚度不 同，呈现出正交异性板的特征，受力性能十分复 杂。工程设计中把正交异性钢桥面板分为3个基 本体系分别计算并进行叠加时，为了简化计算，通 常对3个计算体系均按最不利加载，并进行叠加。 在国内的钢箱梁正交异性桥面板的分析计算中由 于盖板的膜效应难以考虑，在进行叠加时一般仅 对第一、二体系叠加，第三体系效应一般不进行叠 加，仅作设计参考[5]。

1)第一体系。按平面杆系单元进行连续梁 整体计算。全桥模型共采用梁单元42个，节点 59个，计算采用的有限元分析模型见图2。

图2

杆系模型示意图

边界条件。41号墩内侧支座为顺桥向单向 活动支座，外侧支座为双向活动支座；42号墩内 侧支座为顺桥向单向活动支座，外侧支座为双向 活动支座；43号墩内侧支座为纵横竖向固定支 座，外侧支座为横桥向单向活动支座；44号墩内 侧支座为顺桥向单向活动支座，外侧支座为双向 活动支座。

施工方法。采用节段吊装，设置多点临时支 架一次成桥施工。

在最不利组合下顶板顶最大应力为95. 6

桥面铺装后，作用于面板的宽度为〇. 74 m;偏于 安全考虑，一个轮重横向由一条纵肋承受，冲击系 数取0.4。单根纵肋恒载按5.5 kN/m计。

多跨连续梁在活载及恒载作用下的内力由电 算分析得到，本文省略计算过程。

活载作用时单根纵肋的最大受力为

Mmax = 1.4X39.8 = 55.72 kN • m 恒载作用时单根纵肋的最大受力偏安全取

=4. 1kN • m单根纵肋最大受力合计

= 55. 72 + 4. 1 = 59. 82 kN • m

mm纵肋计算断面见图4(偏不利取纵肋间距600

位置）。

L桥面板参与单根纵肋作用的有效宽度

= 4 X 0• 15 X 3. 0 = 1. 8 m〉0• 6 m 取 0• 60 m

纵肋截面特性见表1。

表1

纵肋截面特性一览表

面cm积/

抗弯惯性重心距截面重心距截面2矩/cm4下缘高度/cm

上缘高度/cm

153. 74

15 166

22. 1

5. 9

面板顶应力：^上= 59. 82 X 5. 9/15 166 X 1 000^23. 2 MPa〇

纵肋底应力：a下= 59. 82 X 22. 1/15 166 X 1 000^87. 1 MPa〇

3)

第三体系。盖板体系。实际设计中，由

第三体系的应力较小，可以忽略不计。

4) 应力组合。顶板顶最大组合应力=95. 6 + 23. 2 = 118. 8 MPa。

62

159. 2 MPa。

余祥亮：连续钢箱梁桥设计方法研究

2017年第2期

顶板纵肋最大组合应力：Sa=72. 1 + 87. 1 = 3.2方法二。空间板单元整体建模计算

直接将全桥按照板单元建模，计算钢箱梁的

应力状态[6]。全桥模型共采用板单元152 688 个，节点116 8个，计算采用的有限元分析模型 见图5。

表2方法一与方法二计算箱梁顶底板应力对比表

方法一第二体系23. 287. 1

MPa

位置

第一

体系95. 672. 1153. 5

第三体系 (忽略）

00

合计118. 8159. 2153. 5

方法二114. 7129. 0166. 0

合计顶板顶顶板纵肋底板底

4结语

2016年7月13日交通运输部发布了《关于

推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，未来几年 可以预见会有钢结构桥梁(包括钢箱梁、钢桁梁、 钢混组合梁等）的建设高潮。本文对钢箱梁分别 采用2种不同的方法进行受力计算，从计算结果 可知，三体系叠加理论和空间板单元整体建模计

板单元模型严格按照图纸，采用6种板单元 厚度，顶板厚度根据受力不同分为16,20,24, 30 mm 4种；底板厚度为16,20,24,30 mm 4种； 腹板厚度为14,20 mm 2种；隔板厚度为12，14, 16，20 mm 4 种。

加载方法。板单元计算模型中，钢箱梁采用 跟实际箱梁一致的三维仿真模型模拟，钢梁的重 量可以自动计入；按面荷载以实际位置施加二期 恒载、栏杆及声屏障荷载；活载按车道面荷载施 加；其他作用如沉降、温度作用施加方法同杆系 模型。

作用组合同杆系计算模型。

在最不利组合下顶板顶最大应力为114. 7

算应力结果接近，实际工程设计中采用三体系叠 加理论计算能较好地满足设计精度要求，且三体 系叠加理论具备计算方法简便、建模周期短等优 点，建议结构设计试算时优先采用。

参考文献

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M].顾发祥，田

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M

MPa，顶板纵肋最大应力为129 MPa，底板底最大

应力为166. 0 MPa。

3. 3

方法一与方法二计算结果对比

根据以上2种计算方法得出的箱梁顶底板应 力见表2。

J

[5] 吴冲.现代钢桥[].北京：人民交通出版社，2006.[6] 康崇杰，戴公连，粟淼，等.斜交薄壁连续钢箱梁桥

设计与受力特性研究[].铁道科学与工程学报， 2015,12(1) ：119-126.

M

J

Study on Design Method of Continuous Steel Box Girder Bridge

YU Xiangliang

(China ZhongTie Major Bridge Engineering Group Co. , Ltd Design Branch, Wuhan 430050, China)

Abstract ： According to the precision of the three system design of continuous steel box girder bridge in

the superposition theory, taking a highway in Guangdong province continuous box girder design for the engineering background，three system superposition theory and space plate element method were used to calculate and compare the results, and the stress results of two kinds of calculation methods are in good agreement with each other. Three system superposition theory is simplicity in calculation with high efficiency, and it is suggested that this method is preferentially selected.

Key words： steel box girder； three system superposition theory； plate element method； bridge design