单箱单室曲线简支钢箱梁静力特性分析

方帅，张祥

（中铁上海设计院集团有限公司南京设计院，上海 210000）

钢箱梁主要有质量轻、节省钢材、抗弯和抗扭刚度大、有利于提高架设效率、外观美观等优点，因而广泛应用于城市桥梁和高速公路的建设。尽管钢箱梁在结构、养护、美观上优势明显，但在具体进行钢箱梁分析时，由于钢箱梁属于薄壁结构桥面板，为典型的正交异性板结构，其在整体荷载、局部荷载作用下的受力行为非常复杂，处于一种弯、剪、扭的复杂受力状态，因此，在设计中需要进行深入分析。本文以建宁西路B匝道跨径60m简支钢箱梁为背景，对曲线简支钢箱梁进行受力分析与计算，为今后钢箱梁的设计与施工提供参考。

1 工程概况

建宁西路B匝道第二联采用跨径60m简支钢箱梁，箱梁顶宽10.0m，底宽5.9m，翼缘悬臂长1.45m，梁高3.0m，钢箱梁横断面见图1。箱梁采用单箱单室结构，顶板厚度为16mm，底板厚度为18mm（支点附近）、22mm（跨中），腹板厚度为16mm。钢箱梁每隔3m交替设置实腹式横隔板、框架式横隔板，横隔板间设置竖向加劲板，支座附近横隔板加密，以增强其整体刚度。箱室顶、底板均采用U形纵肋，翼缘悬臂采用U形纵肋及扁钢纵肋，腹板采用扁钢纵肋。

图1 钢箱梁标准横断面

2 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干道；（2）桥梁宽度设置：0.6m（防撞护栏）+8.8m（行车道）+0.6m（防撞护栏）；（3）设计行车速度：40km/h；（4）设计荷载：1.3倍公路-Ⅰ级；（5）行车道数量：双向2车道；（6）桥面横坡：单向2%；（7）结构使用年限：100年；（8）地震动峰值加速度：0.10g。

3 结构设计

钢桥面板为正交异性板结构，由面板、纵肋及横肋组成，共同工作。通常将其内力分析分为三个体系进行计算：

第一体系：桥面板与纵肋组成主梁上翼缘，与主梁共同形成主要承重构件—主梁体系。此体系钢箱梁产生整体变形，上翼缘有效分布宽度确定后，力学分析与一般梁相同，可按初等梁弯曲理论计算。

第二体系：纵肋、横肋及桥面板组成桥面结构—桥面结构体系。桥面板可视为纵、横肋共同的上翼缘，该体系支撑于主梁上，仅受桥面车轮荷载。第三体系：仅指桥面板，桥面板被视作支撑于纵、横肋上的各向同性连续面板—面板体系。

第三体系的应力主要是桥面板横桥向的应力，设计中通常只采用纵向的第一体系和第二体系应力的组合，而忽略第三体系的应力。第三体系的应力通常是造成正交异性板疲劳的重要因素，进行正交异性板疲劳验算时，必须考虑第三体系的应力。本案例设计中，主要介绍第一体系、第二体系的计算及抗倾覆计算，因此，仅计算用第一体系、第二体系应力，未计算第三体系应力。

3.1 第一体系计算

（1）计算模型。按照杆系单元进行钢箱梁整体计算，共计梁单元42个，节点47个。

（2）边界条件。B4#桥墩内侧支座采用双向固定支座，外侧支座采用横桥向的单向活动支座；B5#桥墩内侧支座采用顺桥向的单向活动支座，外侧支座采用双向活动支座。

图2 支座布置图

（3）计算结果。

图3 顶板应力图

图4 底板应力图

在最不利组合下，顶板最大压应力为153.7MPa，底板最大拉应力为188.8MPa。

3.2 第二体系计算

（1）方法一：方法一采用单根纵肋简化计算。桥面系体系计算。将面板及其纵肋在车辆荷载作用时按3m跨度（横隔板间距）进行内力分析。根据规范，单个轮重70kN，轮宽0.6m，考虑桥面铺装后，作用于面板的长度1.0m，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3.3kN/m计。简支钢箱梁在活载及恒载作用下的内力由计算分析得到，活载（车辆荷载）作用下，顶板受最大应力63.87MPa（已计冲击系数0.4）。

（2）方法二：方法二采用空间板单元建模计算。选取第一体系中应力较大的跨中区段，进行第二体系计算。板单元模型取两相邻实腹式横隔板间隔区段，其中包括两相邻实腹式横隔板间的框架式横隔板及竖向加劲板。模型选择沿桥轴纵中心取6.8m长的顶底板、腹板及加劲肋，模型网格尺寸取100mm，边界条件取腹板下翼缘铰支固定。共计共计板单元14063个，节点12931个。根据规范单个轮重70kN，轮宽0.6m，车轮着地长度0.6m、着地0.2m，考虑桥面铺装后，作用于面板的长度1.0m、宽度0.6m，冲击系数取0.3。恒载考虑桥面铺装。简支钢箱梁在活载及恒载作用下的内力由计算分析得到，活载（车辆荷载）作用下，顶板受最大应力32.50MPa，考虑冲击系数取0.4，活载作用下顶板受最大应力45.5MPa。

（3）方法一、二结果对比：由方法一与方法二计算结果可知，第二体系计算过程中，两种方法对恒载作用的影响有限，方法一采用单根纵肋简化计算在活载（车辆荷载）作用下，得出的结果偏于保守。

4 抗倾覆计算

桥梁倾覆过程中存在2个明确特征状态：特征状态1，箱梁单向受压支座开始脱离受压；特征状态2，箱梁抗扭支承全部失效。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）4.2.2，梁桥在持久状况下，结构体系不应发生改变，并规定：（1）在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；（2）整联只采用单向受压支座支承时，应符合下式要求：

式中：

kqf为横向抗倾覆稳定系数，取=2.5。

∑Sbk,i=∑RGkili为使上部结构稳定的作用基本组合（分项系数均为1.0）的效应设计值；

∑Ssk,i=∑RQkili为使上部结构失稳的作用基本组合（分项系数均为1.0）的效应设计值。

本案例钢箱梁桥位于缓和曲线和左偏圆曲线上，圆曲线半径220m，支座布置如图7所示，分别考虑外侧支座（44、46）脱空、内侧支座（45、47）脱空时桥梁的抗倾覆能力，抗倾覆计算结果如表1、表2所示。

表1 外侧支座脱空抗倾覆验算

表2 内侧支座脱空抗倾覆验算

由上表可知，由于曲线桥在车辆偏载作用下，内侧支座较外侧支座稳定系数小，更容易发生脱空。

5 结语

（1）钢箱梁与混凝土结构相比，具有节省钢材、抗弯和抗扭刚度大、有利于提高架设效率等优点，越来越多地应用在城市建设中。本文通过对案例工程曲线简支钢箱梁的设计，重点阐述了相应的设计方法，为以后同类桥梁的设计提供参考经验。

（2）在计算第二体系应力时，杆系单元模型建模简单，但计算结果较为保守，偏安全；相比之下，板壳单元模型最接近真实状态，更加符合实际，结果也更加准确，但其计算比较复杂、工作量大，设计中较少采用。因此，在钢箱梁计算分析过程中，可根据实际情况及需求选择合适算法。

（3）与直桥相比，曲线桥支座反力分布不均匀，曲线内侧支座更容易发生脱空，在设计和倾覆验算过程中，须按照道路超载情况留有一定安全储备，避免因超载引起的桥梁倾覆事故。

（4）简支钢箱梁计算除需考虑上述计算结果外，还应进行整体稳定、局部稳定、正交异性板疲劳、支座局部承压等项目的计算分析。