◎ 張玉龍 北京建達(dá)道橋咨詢有限公司

鋼箱梁具有良好的荷載承受能力，投入成本更低，被廣泛應(yīng)用到多個領(lǐng)域。通常在不改變平均剪應(yīng)力前提下，通過減小梁腹板的厚度、高度達(dá)到提高鋼箱抗彎剛度的目的。由于梁腹板與鋼箱梁的頂、底板有所差異，受力情況更加復(fù)雜，同時承受扭矩剪應(yīng)力，以及彎矩彎曲應(yīng)力，梁腹板長期處于兩種受力條件下，需要更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，由此凸顯了設(shè)計計算的重要性。

1.連續(xù)鋼箱梁橋工程設(shè)計概述

中山市坦洲快線（一期）工程-G105 互通立交A匝道鋼箱梁橋，道路設(shè)計線處梁高3米，寬9.5米，兩側(cè)懸臂翼緣外挑各2米，腹板鉛垂布設(shè)，底板水平放置。頂板厚度18毫米,底板厚度20毫米,腹板厚為16毫米。鋼箱梁內(nèi)每3米設(shè)置一道全橫隔板，預(yù)留人孔，板厚為12毫米，腹板豎向加勁肋間距3m，肋高500毫米，肋厚12毫米。頂板縱向加勁肋采用I型加勁肋，間距0.3～0.4米,肋高200毫米,肋厚18毫米。底板縱向加勁肋采用I型加勁肋，間距0.3～0.4米，肋高200毫米，肋厚18毫米。鋼箱梁內(nèi)端橫梁處隔板采用24毫米,中橫梁處隔板采用32毫米，梁端封板采用14毫米厚鋼板。

本次工程所采用的技術(shù)規(guī)范主要包括《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》、《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》、《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》等。同時參考了《道路和人行鋼橋設(shè)計與施工標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路鋼橋制造規(guī)范》等。

橋梁設(shè)計荷載為公路－Ⅰ級，溫度荷載為整體升溫25℃、整體降溫-25℃，溫度梯度按照相關(guān)規(guī)范取值。

2.梁腹板設(shè)計計算分析

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及計算模型

橋梁結(jié)構(gòu)為裝配式連續(xù)鋼箱梁，橫截面為單箱單室截面，橋面凈寬9.5米、車道為單向雙車道、汽車荷載為公路－Ⅰ級。

計算模型選用邁達(dá)斯軟件構(gòu)建的主梁結(jié)構(gòu)總體計算模型，通過它可以計算出總體縱向受力、支承反力，得到結(jié)構(gòu)的剪力、彎矩及扭矩，反映出主梁的第一體系應(yīng)力。在總體計算的內(nèi)力狀態(tài)下可以通過近似計算公式計算得到截面的翹曲、畸變應(yīng)力。

2.2 加勁肋計算

為了提高鋼箱梁的穩(wěn)定臨界應(yīng)力，通過加厚梁腹板、設(shè)置加勁肋實現(xiàn)。這樣的方式不僅是為了保證梁腹板的穩(wěn)定性，不會在應(yīng)用過程中因為結(jié)構(gòu)問題而失穩(wěn)，因此設(shè)置橫向、縱向加勁肋，前者的設(shè)置主要是防止梁腹板剪切失穩(wěn)和應(yīng)力集中，后者設(shè)置主要是避免梁腹板在彎曲壓應(yīng)力作用下而彎壓失穩(wěn)。因此出于成本和性能考慮，不應(yīng)將梁腹板設(shè)計過薄，因為節(jié)省的材料被增加的加勁構(gòu)件費(fèi)用抵消。

腹板橫向加勁肋的間距a由應(yīng)滿足以下要求，由公式（1）a≤980tw/t得知，式中tw—腹板的厚度；t—標(biāo)準(zhǔn)組合下的腹板剪應(yīng)力。

腹板橫向加勁肋慣性矩應(yīng)滿足以下要求，由公式（2）It≥3h0t3得知，式中It—單側(cè)設(shè)置橫向加勁肋時加勁肋對于與腹板連接線的慣性矩，或雙側(cè)對稱設(shè)置橫向加勁肋時加勁肋腹板中心線的慣性矩；

腹板縱向加勁肋滿足以下要求，由公式（3）Il=Slh0t3（4）Sl=max{1.5,(a/h0)2[2.5-0.45(a/h0)]}得知，式中Il—單側(cè)設(shè)置橫向加勁肋時加勁肋對于與腹板連接線的慣性矩，或雙側(cè)對稱設(shè)置橫向加勁肋時加勁肋腹板中心線的慣性矩；a—腹板橫向加勁肋間距。

針對梁腹板加勁肋進(jìn)行驗算，結(jié)果如下：1、計算高度，跨中為2797hw，中支點(diǎn)為2797；2、橫向加勁間距，跨中和中支點(diǎn)數(shù)據(jù)一致同為1500a；3、間距、高度、加勁肋寬厚比、腹板厚度的跨中和中支點(diǎn)一致，分別為0.54a/hw、11.25b/t、16t；4、正應(yīng)力跨中為153.8σ，中支點(diǎn)為155.9σ，剪應(yīng)力跨中為14.1t，中支點(diǎn)為89.1t。4、橫向加勁慣性矩的跨中、中支點(diǎn)驗算結(jié)果保持一致，同為五千萬It，間距則有所差異，最終計算結(jié)果符合要求；5、縱向加勁肋最終計算結(jié)果符合要求，跨中、中支點(diǎn)的數(shù)據(jù)完全一致。

支座反力的作用下，橫隔板和加勁肋中豎向應(yīng)力的實際大小和分布非常復(fù)雜，通常要用空間有限元方法才能求得較為滿意的結(jié)果。

2.3 梁腹板計算

鋼箱梁腹板和橫隔板圍成的翼緣板部分，當(dāng)縱向加勁肋等間距布置時，加勁板的彈性屈曲系數(shù)k可由公式（7）Yl≥Yi時k=4；（8）k=（1+a2）2+Yl/a2{1+nδl}，a=a/b≤a0得知，式中n＝nl＋1—受壓板被縱向加勁肋分割的子板元數(shù)；nl—等間距布置縱向加勁肋根數(shù)；α—加勁板的長寬比；a—加勁板的長度（橫隔板或剛性橫向加勁肋的間距）；b—加勁板的寬（腹板或剛性縱向加勁肋的間距）；t—加勁板的厚寬；δl—單根加勁肋的截面面積與被加勁板的面積之比；Al—單根加勁肋的截面面積；γ1—縱向加勁肋的相對剛度；Il—縱向單根加勁肋對被加勁板的抗彎慣矩；D—單寬板剛度。

2.4 應(yīng)力修正計算結(jié)果

通過對界面應(yīng)力進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)存在較大應(yīng)力余富，滿足應(yīng)力要求，應(yīng)力修正結(jié)果根據(jù)界面位置的不同，其綜合折減系數(shù)、抗彎慣性矩折減系數(shù)、原截面應(yīng)力（兆帕)、修正應(yīng)力（兆帕)都有所差異。

邊緣跨中頂板的綜合折減系數(shù)為0.948，邊緣跨中底板的這項參數(shù)為0.929，兩者在抗彎慣性矩折減系數(shù)方面參數(shù)一致為0.938。邊緣跨中頂板的原截面應(yīng)力、修正應(yīng)力為60.1兆帕、63.4兆帕；邊緣跨中底板原截面應(yīng)力、修正應(yīng)力為-38.8兆帕、-41.8兆帕。

中跨跨中頂板和底板的抗彎慣性矩折減系數(shù)一致，即0.98，但在綜合折減系數(shù)表現(xiàn)上則有所差異。在原截面應(yīng)力上，中跨跨中頂板為153.8兆帕，中跨跨中底板為108兆帕；在修正應(yīng)力上，中跨跨中頂板為155.8兆帕，中跨跨中底板為-111兆帕。

中支點(diǎn)頂板與中支點(diǎn)底板，兩者在抗彎慣性矩折減系數(shù)上一致，即0.752.在綜合折減系數(shù)上，中支點(diǎn)頂板為0.767；中支點(diǎn)底板為0.738。原截面應(yīng)力，中支點(diǎn)頂板為108兆帕，中支點(diǎn)底板為149兆帕。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以知道最大壓應(yīng)力值為-211.3兆帕，分布寬度和屈曲后強(qiáng)度的壓應(yīng)力為270兆帕，主梁腹板最大剪應(yīng)力為89.09兆帕，滿足規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計值155兆帕要求。

2.5 疲勞驗算

疲勞驗算按照現(xiàn)行《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》加載疲勞車進(jìn)行計算，疲勞荷載為等效的車道荷載，集中荷載為0.7Pk，均布荷載為0.3qk，Pk和qk按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》取值。從計算結(jié)果來看，本橋為單跨簡支鋼箱梁，最大疲勞應(yīng)力幅在跨中，逐漸到梁端降低到0兆帕左右，整體疲勞應(yīng)力水平較低。在持久狀況下，橋梁不應(yīng)該發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變，并應(yīng)同時滿足下列規(guī)定：一、在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。二、按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時，整體式截面簡支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)。

在永久作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支撐體系計算確定，按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值；在可變作用下，第i個橋墩處失效支座的支反力，按全部支座有效的支撐體系計算確定，按標(biāo)準(zhǔn)組合取值，汽車荷載效應(yīng)（考慮沖擊）按各失效支座對應(yīng)的最不利布置形式取值。

3.結(jié)論

綜合上述，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，針對鋼箱梁腹板的壓應(yīng)力、局部穩(wěn)定系數(shù)、加勁肋進(jìn)行計算分析。梁腹板最大剪應(yīng)力達(dá)到相應(yīng)兆帕，結(jié)構(gòu)滿足承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)的各項要求。橋梁整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全、合理的，能滿足長期安全使用的功能?？偨Y(jié)國內(nèi)外規(guī)范基礎(chǔ)上，討論鋼箱梁腹板加勁板設(shè)置和局部穩(wěn)定設(shè)計計算方法，并以實例進(jìn)行比較說明，研究結(jié)果符合預(yù)期。