寬幅鋼箱梁支點(diǎn)橫梁計(jì)算方法研究
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王瓊 劉斌 張胤
（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院市政工程設(shè)計(jì)院 武漢 430050）
摘要 以鋼箱梁支點(diǎn)橫梁作為研究對(duì)象，采用有限元法探討支點(diǎn)處頂?shù)装鍣M向有效寬度的計(jì)算方法，并應(yīng)用于鋼箱梁橫梁的簡化桿系模型。將板單元模型和桿系模型2種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出寬幅鋼箱梁支點(diǎn)橫梁合理的簡化計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞 鋼箱梁 寬腹鋼箱梁 有效寬度 剪力滯 支點(diǎn)橫梁
近年來隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市交通系統(tǒng)的建設(shè)需求也日益提高，城市高架橋作為交通系統(tǒng)中跨越障礙的主要建筑物，鋼箱梁具有施工快捷方便，對(duì)城市交通影響較小的特點(diǎn)，在市政工程中大量作為跨越道路交叉口的橋梁形式。并且寬幅箱梁具有整體性好、外形美觀、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)在城市橋梁中占據(jù)主流地位。不同于墩臺(tái)蓋梁，連續(xù)箱梁內(nèi)橫梁與箱梁是一個(gè)整體，而且對(duì)鋼箱梁這種以薄鋼板為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其支點(diǎn)橫梁受力體系更加模糊，如果用類似于計(jì)算混凝土箱梁橫梁的桿系計(jì)算方法，其有2個(gè)顯著特點(diǎn)：橫梁計(jì)算截面不明確；橫梁荷載作用方式不明確。本文結(jié)合某高架橋標(biāo)準(zhǔn)跨2×30 m，橋?qū)?8 m的一聯(lián)鋼箱梁的支點(diǎn)橫梁計(jì)算方法作一些研究。
1 鋼箱梁板單元模型分析
武漢某環(huán)線上跨道路平交口鋼箱梁跨徑組合30 m+30 m，梁高1.5 m，各墩頂設(shè)置2個(gè)支座，支座間距6m，橋?qū)?8 m，支點(diǎn)處設(shè)置2片橫隔板，板厚30 mm，采用Q345鋼材，頂?shù)装搴穸?8mm，見圖1、圖2。
使用有限元程序建立全橋板單元模型，采用4節(jié)點(diǎn)板單元，荷載為自重、二期恒載和車道荷載。
在對(duì)鋼箱梁進(jìn)行橫向分析時(shí)，車道荷載的應(yīng)力取橫梁支座頂出現(xiàn)最大拉應(yīng)力時(shí)的車道荷載布置，支點(diǎn)沿縱橋向剖面A-A處頂?shù)装鍛?yīng)力，見圖3。
由于剪力滯的影響，鋼箱梁在荷載作用下頂?shù)装鍛?yīng)力不是均勻分布，腹板附近應(yīng)力比其他地方大。由上圖可知，在中橫梁和端橫梁處應(yīng)力出現(xiàn)峰值并向跨中遞減。值得注意的是：在支點(diǎn)橫隔板以外的隔板處頂?shù)装宀]有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值，說明除去支點(diǎn)橫隔板外，其他橫隔板對(duì)支點(diǎn)頂?shù)装鍛?yīng)力最大值并沒有明顯的減小作用。為簡化鋼箱梁的橫向計(jì)算，下面需要確定桿系模型計(jì)算橫梁時(shí)的有效截面。
2鋼箱梁橫梁頂?shù)装逵行挾?
在工程設(shè)計(jì)中為簡化計(jì)算，通常假設(shè)頂?shù)装鍛?yīng)力按最大應(yīng)力均勻分布，并且按力的等效原則，由式
計(jì)算有效分布寬度，用有效寬度代替頂?shù)装寤蛞砭壈宓膶?shí)際寬度，可以把肋板式結(jié)構(gòu)簡化為由單個(gè)或多個(gè)梁肋和具有相應(yīng)有效分布寬度代替頂?shù)装宓膶?shí)際寬度組成的桿系結(jié)構(gòu)來計(jì)算。
在對(duì)鋼箱梁進(jìn)行縱向結(jié)構(gòu)體系計(jì)算時(shí)，需要確定斷面頂?shù)装逵行挾�，�?jì)算此有效寬度已有較成熟的計(jì)算公式。
跨中斷面：
支點(diǎn)斷面：
式中：6為腹板間距的一半或懸臂板寬度；Z為換算跨徑，其他幾何參數(shù)見圖4。
3桿系模型簡化計(jì)算方法
根據(jù)以上支點(diǎn)橫梁有效寬度計(jì)算結(jié)果，取中支點(diǎn)橫梁頂?shù)装逵行挾?C-7.6 m。橫梁腹板取直接支撐于支座正上方的2片橫隔板，確定中支點(diǎn)橫梁的有效截面及計(jì)算模型見圖7。
鋼箱梁的豎向剪力絕大部分由腹板承受。鋼箱梁恒載基本是沿鋼箱梁平面均勻分布，因此在橫梁簡化計(jì)算時(shí)可近似地認(rèn)為各腹板處均相等地作用一集中力G�；钶d則為等效車輛荷載按影響線加載，可由縱向桿系模型計(jì)算求得。算例中G=2 037 kN；活載車輛2Q=536 kN；通過圖4中橫向模型計(jì)算，B-B斷面頂?shù)装遄畲髴?yīng)力為113MPa，略大于板單元計(jì)算的頂?shù)装鍛?yīng)力101 MPa。通過查看板單元的支點(diǎn)腹板剪應(yīng)力，不難分析出桿系模型計(jì)算結(jié)果偏大的原因：支點(diǎn)各腹板剪力并非相等，而是靠近支座處剪力比遠(yuǎn)離支座處腹板剪力大，這樣在總剪力（支座反力）相同的情況下，遠(yuǎn)離支座的邊腹板分配較小的剪力。這里不對(duì)腹板剪力分配做深入分析，而采用簡單的腹板剪力均勻分配的方式，計(jì)算出頂?shù)装鍛?yīng)力偏大，但在工程設(shè)計(jì)上仍然有較大的參考意義。
4結(jié)語
通過對(duì)實(shí)際工程鋼箱梁的板單元計(jì)算分析，并結(jié)合現(xiàn)有理論，提出了鋼箱梁支點(diǎn)橫梁的有效寬度的計(jì)算方法，為實(shí)際工程中寬幅鋼箱梁的橫梁簡化計(jì)算提供依據(jù)；將有限元板單元計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[1]中公式法計(jì)算結(jié)果做對(duì)比分析，提出在用公式法計(jì)算寬幅鋼箱梁橫梁有效寬度時(shí)，應(yīng)將支座橫隔板而不是所有橫隔板作為腹板去確定腹板間距，采用橫向支撐體系（見圖1）去確定換算跨徑，進(jìn)一步將公式法的應(yīng)用拓展到鋼箱梁的橫向計(jì)算；比較簡化計(jì)算方法與板單元精確計(jì)算方法的結(jié)果，得出簡化計(jì)算方法由于采用了腹板剪力等分的原則，計(jì)算結(jié)果稍有偏大，若以此指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)稍偏保守，但仍然具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
