宽幅钢箱梁支点横梁计算方法研究

 王琼  刘斌  张胤

 （中交第二公路勘察设计研究院市政工程设计院  武汉  430050）

摘要  以钢箱梁支点横梁作为研究对象，采用有限元法探讨支点处顶底板横向有效宽度的计算方法，并应用于钢箱梁横梁的简化杆系模型。将板单元模型和杆系模型2种计算结果进行对比，提出宽幅钢箱梁支点横梁合理的简化计算方法。

关键词  钢箱梁  宽腹钢箱梁  有效宽度  剪力滞  支点横梁

 近年来随着我国城市化进程的加快，城市交通系统的建设需求也日益提高，城市高架桥作为交通系统中跨越障碍的主要建筑物，钢箱梁具有施工快捷方便，对城市交通影响较小的特点，在市政工程中大量作为跨越道路交叉口的桥梁形式。并且宽幅箱梁具有整体性好、外形美观、行车舒适等优点在城市桥梁中占据主流地位。不同于墩台盖梁，连续箱梁内横梁与箱梁是一个整体，而且对钢箱梁这种以薄钢板为结构构件，其支点横梁受力体系更加模糊，如果用类似于计算混凝土箱梁横梁的杆系计算方法，其有2个显著特点：横梁计算截面不明确；横梁荷载作用方式不明确。本文结合某高架桥标准跨2×30 m，桥宽28 m的一联钢箱梁的支点横梁计算方法作一些研究。

1  钢箱梁板单元模型分析

武汉某环线上跨道路平交口钢箱梁跨径组合30 m+30 m，梁高1.5 m，各墩顶设置2个支座，支座间距6m，桥宽28 m，支点处设置2片横隔板，板厚30 mm，采用Q345钢材，顶底板厚度18mm，见图1、图2。

 使用有限元程序建立全桥板单元模型，采用4节点板单元，荷载为自重、二期恒载和车道荷载。

在对钢箱梁进行横向分析时，车道荷载的应力取横梁支座顶出现最大拉应力时的车道荷载布置，支点沿纵桥向剖面A-A处顶底板应力，见图3。

由于剪力滞的影响，钢箱梁在荷载作用下顶底板应力不是均匀分布，腹板附近应力比其他地方大。由上图可知，在中横梁和端横梁处应力出现峰值并向跨中递减。值得注意的是：在支点横隔板以外的隔板处顶底板并没有出现明显的应力峰值，说明除去支点横隔板外，其他横隔板对支点顶底板应力最大值并没有明显的减小作用。为简化钢箱梁的横向计算，下面需要确定杆系模型计算横梁时的有效截面。

2钢箱梁横梁顶底板有效宽度

在工程设计中为简化计算，通常假设顶底板应力按最大应力均匀分布，并且按力的等效原则，由式

计算有效分布宽度，用有效宽度代替顶底板或翼缘板的实际宽度，可以把肋板式结构简化为由单个或多个梁肋和具有相应有效分布宽度代替顶底板的实际宽度组成的杆系结构来计算。

在对钢箱梁进行纵向结构体系计算时，需要确定断面顶底板有效宽度，计算此有效宽度已有较成熟的计算公式。

跨中断面：

支点断面：

式中：6为腹板间距的一半或悬臂板宽度；Z为换算跨径，其他几何参数见图4。

3杆系模型简化计算方法

根据以上支点横梁有效宽度计算结果，取中支点横梁顶底板有效宽度2C-7.6 m。横梁腹板取直接支撑于支座正上方的2片横隔板，确定中支点横梁的有效截面及计算模型见图7。

 钢箱梁的竖向剪力绝大部分由腹板承受。钢箱梁恒载基本是沿钢箱梁平面均匀分布，因此在横梁简化计算时可近似地认为各腹板处均相等地作用一集中力G。活载则为等效车辆荷载按影响线加载，可由纵向杆系模型计算求得。算例中G=2 037 kN；活载车辆2Q=536 kN；通过图4中横向模型计算，B-B断面顶底板最大应力为113MPa，略大于板单元计算的顶底板应力101 MPa。通过查看板单元的支点腹板剪应力，不难分析出杆系模型计算结果偏大的原因：支点各腹板剪力并非相等，而是靠近支座处剪力比远离支座处腹板剪力大，这样在总剪力（支座反力）相同的情况下，远离支座的边腹板分配较小的剪力。这里不对腹板剪力分配做深入分析，而采用简单的腹板剪力均匀分配的方式，计算出顶底板应力偏大，但在工程设计上仍然有较大的参考意义。

4结语

 通过对实际工程钢箱梁的板单元计算分析，并结合现有理论，提出了钢箱梁支点横梁的有效宽度的计算方法，为实际工程中宽幅钢箱梁的横梁简化计算提供依据；将有限元板单元计算结果与文献[1]中公式法计算结果做对比分析，提出在用公式法计算宽幅钢箱梁横梁有效宽度时，应将支座横隔板而不是所有横隔板作为腹板去确定腹板间距，采用横向支撑体系（见图1）去确定换算跨径，进一步将公式法的应用拓展到钢箱梁的横向计算；比较简化计算方法与板单元精确计算方法的结果，得出简化计算方法由于采用了腹板剪力等分的原则，计算结果稍有偏大，若以此指导工程设计稍偏保守，但仍然具有较好的经济性。