横隔板对悬臂钢箱梁受力性能影响

韩 雪

(华侨大学 厦门工学院， 福建 厦门 361021)

薄壁钢箱梁具有重量轻、材料省、抗弯和抗扭刚度大、安装和养护方便、轻巧美观等优点，现已广泛应用于桥梁工程、海洋工程、高层建筑、重型厂房以及大跨空间钢结构建筑中.然而薄壁钢箱梁的受力性能有其自身特殊性，特别是薄壁钢箱梁的约束扭转问题一直备受工程界的关注[1-3].薄壁钢箱梁在承受偏心荷载作用时，将产生对称弯曲、刚性扭转、畸变及横向弯曲四种基本变形状态[4].

通过全面考虑轴向变形、剪切变形、双向弯曲变形、扭转变形、截面翘曲变形和畸变变形影响的梁单元刚度矩阵[5]，编制相应的有限元计算程序，以分析设置横隔板后薄壁钢箱梁的受力性能.本文应用有限元计算程序，研究横隔板间距及偏心集中荷载作用位置对悬臂钢箱梁受力性能的影响规律，探讨横隔板的布置方法，为实际工程设置横隔板提供参考依据.

1 有限元程序

基于广义坐标法原理和势能驻值原理[6]推导出薄壁箱梁在任意荷载作用下，全面考虑轴向变形、剪切变形、双向弯曲变形、扭转变形、截面翘曲变形和畸变变形影响的薄壁钢箱梁单元刚度矩阵.梁单元结点力和对应的结点位移如图1所示，图1中标出了梁单元结点力和结点位移的正方向.广义坐标位移和结点力的正方向与扭转位移对应的θi为顺时针时对应一致.

图1 考虑各种变形影响的薄壁钢箱梁单元结点力和结点位移

则梁单元结点i和j处的结点位移和结点力为：

Fe=[FiFj]T=[FuiQyiMziQzi-MyiFUi

FθiFχiFujQyjMzjQzj-MyjFUj

FθjFχj]T

有限元方程为

K(e)ue=Fe

(1)

式中K(e)为单元刚度矩阵，根据有限元方程式(1)，编制了薄壁钢箱梁的有限元计算程序.为检验自编程序的计算精度，与ANSYS板壳单元计算结果进行对比分析，详细对比情况见文献[7].比较结果表明，此自编有限元计算程序具有较高的求解精度，可用于设置横隔板后薄壁钢箱梁的受力性能分析.

2 横隔板间距对悬臂钢箱梁受力性能影响

本文分析模型取横截面为□1400mm×500mm×12mm×25mm的悬臂钢箱梁，梁长L=10m，材料为Q235钢.本节分析的悬臂钢箱梁在自由端承受偏心集中荷载F=3×105N作用，如图2所示.横隔板布置间距分别取为L、L/2、L/5、L/10、L/20.在翘曲正应力分布图中，横坐标为梁截面沿纵轴X方向的位置坐标，例如横坐标为0代表薄壁箱梁固定端截面，横坐标为10代表薄壁箱梁悬臂端截面;纵坐标为翘曲正应力，翘曲正应力的正负分别表示受拉与受压.

图2 悬臂端承受偏心集中荷载作用的悬臂钢箱梁

为了分析薄壁箱梁分别在弯曲荷载、扭转荷载、畸变荷载作用下横隔板对薄壁箱梁翘曲应力的影响，可把偏心的集中荷载分解成弯曲荷载、扭转荷载、畸变荷载，具体分解方法如图3所示.

图3偏心集中荷载的分解方法

提取上翼缘和左侧腹板角点A处的纵向正应力，可得到横隔板对悬臂钢箱梁纵向正应力的影响规律如图4～图7所示.

图4弯曲荷载下弯曲正应力分布图

图5扭转荷载下翘曲正应力分布图

图6畸变荷载下畸变正应力分布图

图7偏心集中荷载作用下纵向正应力分布图

分析图4～图7可以得知：

(1)横隔板对弯曲正应力的影响较小，横隔板不能起到减小弯曲正应力的作用.

(2)横隔板对畸变正应力的影响较大，横隔板可以有效减小畸变正应力.由图6可知，只要畸变荷载作用位置上布置横隔板，薄壁钢箱梁的畸变正应力可减小到0.

(3)当无横隔板时，扭转荷载作用下钢箱梁横截面的最大正应力为1.71MPa；而畸变荷载作用下钢箱梁横截面的最大正应力达29.76MPa，是扭转荷载作用下的17.4倍.表明截面畸变效应对薄壁钢箱梁纵向正应力的影响较大，在分析无横隔板的薄壁钢箱梁受力性能时，截面畸变效应不能忽略.

(4)在分析布置横隔板的薄壁钢箱梁受力性能时，可重点分析扭转荷载作用下横隔板对薄壁钢箱梁受力性能的影响规律.即把偏心荷载分解出扭转荷载后，仅重点分析扭转荷载作用下横隔板对翘曲正应力的影响规律.

3 偏心集中荷载作用位置对悬臂钢箱梁受力性能影响

为研究偏心集中荷载作用位置对悬臂钢箱梁受力性能影响，偏心集中荷载F的作用位置分别取L/5、2L/5、3L/5、4L/5.提取上翼缘和左侧腹板角点A处的纵向正应力，可得到偏心集中荷载F的作用位置对悬臂钢箱梁纵向正应力的影响规律.图8、图9分别为不同作用位置的偏心集中荷载F下，无横隔板、横隔板间距为L/5的悬臂钢箱梁纵向正应力分布规律图.

图8 无横隔板时悬臂钢箱梁纵向正应力

图9 横隔板间距为L/5的悬臂钢箱梁纵向正应力

分析图8、图9可知：

(1)当悬臂钢箱梁不布置横隔板时，在偏心集中荷载作用处截面纵向正应力发生突变，致使荷载作用处两侧纵向正应力分布规律发生变化.

(2)当悬臂钢箱梁布置间距为L/5的横隔板后，偏心集中荷载作用处到固定端间截面纵向正应力为斜直线分布；而从偏心集中荷载作用处到悬臂端间截面纵向正应力接近于0，与只有弯曲荷载作用时纵向正应力的分布规律一致.

(3)偏心集中荷载作用下悬臂钢箱梁的受力性能可采用如下简化分析方法：首先把偏心集中荷载分解为弯曲荷载、扭转荷载、畸变荷载；其次，根据扭转荷载作用下悬臂钢箱梁翘曲应力的分布规律，确定横隔板的设置方法；最后，仅需分析弯曲荷载及扭转荷载作用下，悬臂钢箱梁的纵向正应力，此时可忽略畸变荷载的作用效应.

4 结论

(1)横隔板对弯曲正应力的影响较小，横隔板不能起到减小弯曲正应力的作用.

(2)横隔板对畸变正应力的影响较大，横隔板可有效减小畸变正应力.

(3)截面畸变效应对薄壁钢箱梁纵向正应力的影响较大，分析无横隔板的薄壁钢箱梁受力性能时，截面畸变效应不能忽略.

(4)分析布置横隔板的薄壁钢箱梁受力性能时，应重点分析扭转荷载作用下横隔板对薄壁钢箱梁受力性能的影响规律.

(5)提出了偏心集中荷载作用下悬臂钢箱梁受力性能的简化分析方法.

[1]张元海,林丽霞. 一种考虑剪滞效应的斜支承连续箱梁挠曲扭转分析方法[J]. 工程力学，2012，29(2)：94-99.

[2]张治成,曹龙呈,祝哨晨，等.大跨度开口薄壁钢箱梁扭转变形计算[J]. 低温建筑技术，2012(9)：42-44.

[3]李宇航,杨万旭. 考虑约束扭转的曲线箱梁桥活载七自由度分析[J]. 中外公路，2011，31(5)：104-107.

[4]杨英武,尹宗学,王柏生.箱形梁桥加劲肋的作用分析[J].中南公路工程, 2005, 30(20): 52-54.

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[6]包世华,周坚.薄壁杆件结构力学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006.

[7]李海锋,罗永峰.横隔板对薄壁钢箱梁纵向正应力的影响[J]. 建筑结构学报, 2010, 31(S1): 39-44.