独塔斜拉桥钢箱梁计算与分析

何科

（上海市政工程设计研究总院集团浙江市政设计院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

在桥梁建筑中，我国采用钢箱梁的起步较晚，但发展势头非常迅猛，在连续梁、拱桥、斜拉桥和悬索桥中钢箱梁都得到了广泛应用。随着高强度钢材的进一步研发和应用，又促进了钢结构桥梁往更大跨度发展。钢结构质量轻、强度高、施工安装方便，且相对于混凝土结构，有利于环境保护、可回收利用等优势；但同时其刚度小、易失稳、正交异性板易开裂。

正交异性钢桥面结构使用相对较少的钢材，使其整体和局部的强度与刚度均较大，与传统桥面相比，重量减轻约20%～40%[1]。但在国内已经有了正交异性板开裂的案例，一旦疲劳开裂，多数裂纹会沿面板厚度方向扩展，并穿透铺装层，影响行车安全[2]。余挣[3]用A nsys有限元软件对正交异性板进行了受力分析，提出了合理的计算模型的取法。张上等[4]用M id a s板单元模型对正交异性板进行了数值分析，以验证设计的可靠性。对腹板的局部稳定，孔庆凯等[5]根据规范对腹板强度和区格局部稳定性进行了公式验算，并用A nsys建立有限元模型进行校核。

在前几年，国内钢结构桥梁设计主要参考《铁路桥梁钢结构设计规范》（T B 10091一 2017）[6]或英国[7]和日本规范[8]。本文在参考上述规范的基础上，根据最新的《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）[9]，对钢箱梁进行受力及稳定验算。苏庆田等[10]经过模型验算对比，指出钢箱梁采用杆系有限元模型的稳定结果偏于不安全，必须考虑其局部稳定的影响。所以本文通过建立全桥的M id a s有限元模型，来分析其整体的受力性能，并以此为基础验算钢箱梁顶底板的受压板稳定、腹板的局部稳定等；最后利用A nsys有限元模型来分析钢桥面正交异性板的局部受力性能。

该桥为（80+80）m独塔单索面斜拉桥，结构采用梁塔固结体系，桥台处梁底设支座，单幅桥宽29.75m。主梁和主塔均采用钢结构。主梁为单箱5室钢结构箱梁，梁高2.5m。采用正交异性钢桥面板，主梁顶底板采用U形闭口加劲肋加强。3.3m设一道横隔板。斜拉索采用高强钢丝，标准强度1 670MPa。斜拉索纵向设7对，梁上拉索间距9.9m。

独塔单索面斜拉桥标准断面图见图1。

图1 独塔单索面斜拉桥标准横断面（单位：mm）

钢箱梁标准段顶板厚14mm，底板厚12mm，桥梁结构中心2.2m范围内顶底板厚20mm，塔梁结合段对顶底板厚进行了全宽加厚。内腹板厚25mm，中腹板和边腹板厚12 mm。标准内横隔板厚16mm，中横隔板和边横隔板厚12mm。支座处和塔梁结合段横隔板厚20mm。桥面铺装采用80mm的浇筑式沥青混凝土。

1 整体模型

首先建立全桥M id a s有限元模型，计算第一体系受力，斜拉索以桁架单元模拟；主梁、塔柱以梁单元模拟。成桥阶段结构空间模型示意图见图2。

图2 全桥有限元模型

承载能力极限状态下钢箱梁应力设计值为：

上缘：最大压应力σc=121MPa（跨中），最大拉应力σt=91MPa（梁柱节点）。

下缘：最大压应力σc=148MPa（梁柱节点），最大拉应力 σt=120 MPa（跨中）。

整体计算中的主梁位移、疲劳验算、斜拉索与主塔受力、整体稳定等均满足《公路钢结构桥梁设计规范》[9]要求，本文不作叙述。

2 正交异性板

钢箱梁顶板采用全焊接正交异性钢桥面板，顶板的U形加劲纵向通长穿过横肋和横隔板并与之焊接。本桥横隔板间距D1=3.3 m，横肋间距D2=3.3/2=1.65m。

采用空间有限元程序A nsys建立桥面系板壳模型（见图3），验算轮载作用下桥面系的应力、刚度。

图3 桥面板计算模型示意图

图4是车轮荷载作用（考虑0.4的冲击系数）下的桥面板竖向位移图。

计算结果表明，在车轮荷载作用下，肋间相对最大竖向挠度为0.36mm，肋间间距为300mm，因此车轮作用下的挠跨比为1/833＜1/700，能满足《公路钢结构桥梁设计规范》[9]要求。

图4 桥面板竖向位移图（单位：mm）

在恒载（包括二期）和车轮作用下，桥面板纵桥向应力如图5所示。

图5 桥面板纵桥向应力图（单位：MPa）

计算结果表明，在恒载和活载基本组合下的桥面板纵桥向最大压应力为80.5 MPa，最大拉应力为45.5MPa。

然后对第一体系和第二体系应力进行叠加组合。

在第一体系中，桥面板作为箱梁顶板，最大压应力是121MPa，最大拉应力是91MPa；在第二体系中，桥面板最大压应力是80.5 MPa，最大拉应力是45.5 MPa，对应合成压应力为 201.5 MPa，拉应力为136.5MPa，均小于强度设计值fd=270MPa。

在第一体系中，底板在梁柱节点位置下缘最大压应力是148MPa，跨中位置最大拉应力是120MPa，均小于强度设计值fd=270MPa。

3 局部构件

钢箱梁的局部稳定问题主要体现在受压的顶底板和腹板，故在顶底板和腹板中均设置了刚性加劲肋，这样可以假设当板件失稳时，刚性加劲肋位置作为约束点，不发生变形。

3.1 受压的顶底板加劲肋刚性验算

纵向加劲肋相对刚度γt：

纵向加劲肋截面面积Al：

横向加劲肋相对刚度rl：

式中：E为弹性模量；Il为纵向加劲肋的抗弯惯矩；D为板刚度；nl为纵向加劲肋根数；As，l为单根纵向加劲肋的面积；∂为加劲板长宽比；△l为单根纵向加劲肋的面积与母板面积之比；t为顶底板厚度；a，b分别为顶底板的计算长度和宽度。

以钢箱梁顶板为例：顶板厚14mm，腹板最大间距7.375m，腹板间顶板加劲共12根U肋，横隔板间距3.3m（横隔板全高设置，为刚性加劲）；顶板刚度D=0.052，∂=0.447≤∂0=6.288，故r*l=34.31＜rl=62.504，满足纵向加劲肋刚性加劲要求。

对于斜拉桥，钢箱梁顶底板均会产生压应力和拉应力，故钢箱梁底板也需验算，计算方法相同，本文不再赘述。

3.2 钢箱梁腹板加劲肋刚性验算

对中腹板，板厚为12mm，竖向加劲为10mm×150mm×2 500mm，纵向加劲为10mm×150mm，腹板竖向加劲肋惯性矩应满足：

式中：hw和tw分别为腹板的高度和厚度。

计算结果显示：竖向加劲肋满足刚性加劲要求。

腹板纵向加劲肋惯性矩应满足：

计算结果显示：纵向加劲肋满足刚性加劲要求。

3.3 钢箱梁腹板局部稳定验算

根据M id a s整体计算结果，取压应力最大时验算腹板局部稳定。下缘压应力174MPa，上缘拉应力111MPa，一片腹板分配到的剪应力为43.2MPa，腹板下缘纵向加劲肋距底板高0.7m，即h=0.7m，纵向加劲肋处腹板正应力为117 MPa，为压应力，腹板厚t=12mm，高宽比，则：

满足焊接梁1.35的要求（此时临界换算应力σvk=205MPa＜255MPa）。

式中：σk1和τk1分别表示临界法向应力和临界剪应力；σ1和τ分别表示荷载产生的法向应力和剪应力；φ表示上下缘应力的比例系数。

4 结语

本文以1座（80+80）m独塔单索面全钢结构斜拉桥为背景，着重介绍了如何在整体模型计算的基础上，验算钢桥面板第二体系和钢箱梁顶底板、腹板的局部稳定。在计算中需重视钢结构局部稳定的验算，这是由于钢结构能承受较高的压应力和拉应力，故整体计算结果较为容易满足规范要求，但同时由于刚度小，其自身容易发生局部失稳，从而造成重大安全事故。