桥梁钢箱腹板的稳定性设计与分析

2015-02-21张四新

黑龙江交通科技 2015年11期

关键词：钢箱设计规范腹板

张四新

(贵州省凯里公路管理段)

桥梁钢箱腹板的稳定性设计与分析

张四新

(贵州省凯里公路管理段)

钢结构广泛应用于桥梁工程之中，其稳定性问题不容忽视。目前国内已有相关桥梁规范提出稳定性分析需要考虑结构的第一类弹性稳定与第二类非线性稳定问题，而在桥梁钢箱腹板的稳定设计时宜结合国内外规范进行综合设计，并结合有限元工具进行相关分析，从而满足钢箱腹板的稳定性需求。

桥梁工程；钢箱腹板；稳定性；设计分析

1 规范设计方法

1.1 腹板厚度及水平加劲肋间距

钢箱腹板厚度及水平加劲肋间距可参照日本《道路桥示方书·同解说》10.4.2条，对腹板的最小板厚进行验算。当腹板上有n根水平加劲肋时，在高度方向将腹板划分为n+1个区格，对于每一个单独的区格对应的最小腹板厚度要分别满足以下方程的要求，此处以两根纵肋划分三个区格做阐述如图1，当配置n根纵肋时依次类推。

其中：

νBi=1.25+(0.3+0.15φi)e-4.3η≥1.25

Ri=0.9-0.1φi；kσi=23.9；

以上各式参数意义如下：νBi为安全系数临界值；ti为腹板厚；bi为区格高度；a为横肋间距；σci为腹板中的纵向应力，应力以压为正；τ为腹板单元中产生的剪应力；Ri为宽厚比系数；φi为腹板板件区格上、下缘的应力比；ηi为腹板板件剪力和上、下缘较大应力的比值；kσi为相对于轴向应力的屈曲系数；kτi为相对于剪应力的屈曲系数。

1.2 腹板加劲肋的刚度

腹板水平加劲肋刚度的验算宜参照我国《钢结构设计规范》4.3.6(4)条及日本的《道路桥示方书·同解说》10.4.7(1)条，验算腹板纵肋的刚度。

在我国《钢结构设计规范》4.3.6(4)条中规定，纵向加劲肋的截面惯性矩Iy，应符合下列公式要求：

当a/h0≤0.85时：

当a/h0>0.85时：

式中：h0为腹板计算高度；tw为腹板厚度；a为垂直铺设的横肋间距。

在日本《道路桥示方书·同解说》10.4.7(1)条中规定，

纵肋对腹板截面的惯性矩：

式中：t为腹板厚度；b为腹板计算高度；γv·rep=30a/b为必要刚度比，a为垂直铺设的横肋间距。

对于钢腹板垂直加劲肋，在我国《钢结构设计规范》4.3.6(3)条中规定，垂直加劲肋的截面惯性矩Iz，应符合下列公式要求，其符号含义同前文。

在日本《道路桥示方书·同解说》10.4.4条中规定，垂直加劲肋对腹板截面的惯性矩：

其中横肋间距a根据我国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》1.5.10条，其间距a需满足下式要求，且不得大于2m。

式中：δ为腹板厚度；τ为验算板梁处的腹板平均剪应力。

1.3 腹板区格的稳定性验算

《钢结构设计规范》4.3.4条给出了受压翼缘与水平加劲肋间之间区格的稳定性验算，根据相关文献受压水平加劲肋之间的区格稳定验算同样可以适用该方法。此类区格验算应满足下式：

式中各参数的含义和计算方法见《钢结构设计规范》，验算时将《钢结构设计规范》所采用的设计应力以《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》中的容许应力替代即可。同理，受拉翼缘与水平加劲肋之间区格的稳定性验算应满足下式，式中符号含义参见《钢结构设计规范》：

2 有限元分析方法

2.1 非线性因素

桥梁钢箱腹板的稳定性尤其是第二类稳定问题的实质是结构的静力弹塑性分析问题，这就涉及到分析时需考虑相应的非线性因素，这里非线性因素主要考虑三点，一是结构的初始几何缺陷；二是材料非线性也就是考虑钢材的本构定义；三是钢结构焊接时的残余应力的影响。

关于初始几何缺陷的考虑，参考国外相关规范，可选用结构的一阶弹性屈曲模态的变形乘以相关缩放因子视作结构的初始几何缺陷，以此结构形态作为分析的基础。材料的非线性针对钢材可以简化考虑做理想弹塑性，其中钢材屈服后的弹性模量可取0或0.03倍的钢材弹模。残余应力的计算方法可参考文献。

2.2 边界条件的确定

在对桥梁钢箱腹板做局部稳定分析时需选取钢箱中的某一腹板，同时考虑钢箱顶板与底板对腹板的作用，既考虑顶底板的有效宽度，考虑的方法可根据欧3规范进行计算。对于腹板的非加载端，约束其加载方向和垂直方向的平动自由度；顶底板的截断边仅仅约束加载方向平动自由度；加载端腹板仅约束垂直方向的平动自由度。

3 实例设计与分析

实例选取一座处于设计咨询阶段的大型钢桥，其主梁为单箱三室钢主梁，形式类似于图1，现以该桥主梁某一截面为例阐述其腹板的加劲肋设计及其稳定性分析。选取钢箱主梁中间一块腹板作为分析对象，根据欧3规范计算：其顶板有效宽度1 600 mm，底板有效宽度1 500 mm。设计参数方面，顶板厚度35 mm，腹板厚度30 mm ，底板厚度45 mm，设计腹板高度7 000 mm，水平加劲肋厚度30 mm、宽度350 mm、间距1 400 mm。该设计参数可满足前文所述国内外规范对于钢腹板稳定设计的要求。

有限元分析方面，建立相关模型并对其进行弹性屈曲与非线性屈曲的计算，其中非线性屈曲分析按照前文所述考虑相关非线性因素。经有限元计算，在设计荷载20 MPa下其一阶弹性屈曲特征值约等于18，满足相关规范提出的特征值需大于4的要求。并取该阶模态作为初始几何缺陷缩放十分之一进行非线性屈曲分析。非线性屈曲分析结果如图2，屈曲系数不到4.5，远小于弹性屈曲分析所得，说明非线性因素的作用非常显著，在处理结构稳定问题时需要充分考虑。当前国内桥梁规范对于全桥非线性屈曲系数给出1.75的参考值，局部腹板其非线性屈曲系数大于该值说明局部不会先于整体失稳，设计相对安全。