钢箱梁设计说明（钢箱梁跨间横隔板设计研究）

摘 要：基于钢箱梁节段有限元模型，分析钢箱梁在城-A级车辆荷载作用下结构响应情况，研究横隔板厚度与横隔板开孔加劲肋厚度对横隔板稳定性的影响。分析表明：所研究钢箱梁在城-A级车辆荷载作用下横隔板应力远小于设计允许应力，横隔板稳定性是其设计控制要素；该钢箱梁中厚度大于12 mm的横隔板具有较高的稳定性，同时横隔板开孔处加劲肋厚度采用10～16 mm、宽度采用200 mm能有效提高钢箱梁横隔板稳定性。基于公路钢结构桥梁设计规范中横隔板设计要求进行了横隔板设计方案细化，建议梁高小于2.72 m的钢箱梁横隔板间距按3m设计，横隔板厚度采用12 mm或14 mm，横隔板开孔加劲肋宽度采用200 mm、板厚采用10 mm。武汉山湖大道项目钢箱梁采用该方案进行了钢箱梁设计，所设计桥梁受力满足规范要求，同时钢材用量较少，结构具有较好的经济性。

关键词：钢箱梁;横隔板;稳定性;有限元;

钢箱梁桥是一种被广泛使用的桥型，其截面是由顶底板和腹板焊接形成的薄壁结构，在恒载与活载作用下箱梁截面易发生畸变和面外变形，设置横隔板及加劲肋能有效防止截面产生过大的变形，提高结构抗扭性能[1]。不少学者对斜拉桥采用的扁平钢箱梁横隔板第一类稳定问题与第二类稳定问题进行了研究[2,3,4]，对城市高架桥常用钢箱梁断面跨间横隔板研究较少。

《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）对钢箱梁桥横隔板设计进行规定，为保证正交异性钢桥面板的刚度与受力性能，钢箱梁横向加劲肋或横隔板间距不宜大于4m，同时规定钢箱梁跨间横隔板应有足够的强度与刚度，但规范只在条文说明中给出日本公路钢结构桥梁设计指南中横隔板刚度的计算方法。该方法给出横隔板最大布置间距的经验公式和在最大横隔板布置间距下钢箱梁横隔板刚度要求，同时给出实腹式横隔板、矩形框架式横隔板和桁架式横隔板刚度计算方法，但如表1所示日本规范给出的公式中横隔板间距一般大于设计常用的2～4m横隔板布置间距，不方便指导桥梁设计。

表1 规范横隔板计算间距与实际横隔板设计间距对比 下载原图

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以一单箱三室钢箱梁为研究对象，采用有限元软件进行钢箱梁横隔板受力分析，研究横隔板厚度与横隔板开孔处加劲肋厚度对横隔板稳定性的影响，针对规范中横隔板设计建议进行了细化，给出了梁高度小于2.72m的钢箱梁横隔板设计建议，并以此进行武汉山湖大道项目钢箱梁设计，为钢箱梁横隔板设计提供参考。

研究的钢箱梁为单箱三室截面，梁高2.72m，梁宽20.5m，箱梁挑臂长2.5m，中箱箱室宽5.1m，边箱箱室宽5.2m。跨间横隔板布置间距3m，横隔板在距上缘800mm、下缘700mm、左右两侧腹板1000mm范围内进行开孔处理，并在开孔边缘设置200mm宽、10mm厚的开孔加劲肋，边箱在两道横板间设置腹板横向加劲肋，钢箱梁典型横断面见图1。选取9m钢箱梁节段进行横隔板结构分析，节段箱梁顶底板厚16m，腹板厚14mm，横隔板厚14mm，钢箱梁钢材采用Q345qd。

图1 钢箱梁横断面示意图 下载原图

采用通用有限元软件建立节段钢箱梁模型，钢箱梁钢板采用SHELL63单元模拟，钢板弹性模量为2.06×105MPa，泊松比0.31，有限元模型见图2。

图2 钢箱梁节段有限元模型 下载原图

采用《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）城-A级车辆荷载进行横隔板受力分析，城-A级车辆重轴重200kN，轮距1.8m，车轮着地的宽度×长度为0.6m×0.25m，汽车局部荷载作用的冲击系数取0.4。横隔板最不利荷载工况为车辆荷载重轴作用于横隔板处箱梁顶板，横桥向按1.3m间距并排布置4辆汽车的重轴位于横隔板处。

图3计算结果表明在城-A级汽车荷载作用下，横隔板最大应力发生在横隔板开孔倒角处，最大MISES应力为40.9 MPa，轮载处箱梁中箱与边箱横隔板竖向变形较为接近，汽车轮载对横隔板开孔下方区域受力影响很小，横隔板整体应力水平较低，远低于Q345钢材设计强度。同时结果表明横隔板在距离顶板800mm处进行挖空处理后仍能满足结构的强度要求，该措施减少桥梁钢材用量且减小桥梁自重。计算表明横隔板开孔加劲肋最大应力较横隔板最大应力大，横隔板开孔下侧加劲肋应力较小，上侧倒角处加劲肋应力最大，最大MISES应力为542MPa，横隔板开孔上侧加劲肋能有效参与结构受力。

图3 轮载作用处横隔板MISES应力云图（单位：Pa) 下载原图

计算结果表明在城-A级车辆荷载作用下正交异性钢桥面板应力水平较低，说明横隔板按3m间距布置能使桥面板具有足够的刚度，能有效降低钢箱梁的第二体系应力，同时横隔板间距按4m布置桥梁第二体系应力增加明显，减小横隔板间距，结构经济性降低。

薄壁钢箱梁的局部稳定性也是设计控制因素，结构稳定问题分析一般分为第一类稳定问题与第二类稳定问题，第一类稳定问题为平衡分支问题，表现为求解结构弹性屈曲特征值，第二类稳定问题为极值点失稳问题，实质上是一个考虑了结构材料非线性、几何非线性与初始缺陷等的结构极限承载力问题。基于第一类稳定问题进行该桥横隔板稳定性研究。

基于上述模型在汽车荷载作用下进行结构特征值屈曲分析。钢箱梁前五阶失稳的特征值见表2。前三阶失稳模态均为横隔板失稳，第一阶失稳模态为中箱横隔板失稳，失稳模态见图4，失稳特征值为7.189。第三阶失稳模态为边箱横隔板失稳，模型中边箱与中箱荷载较为接近，但边箱横隔板失稳特征值较中箱横隔板失稳特征值高25.8%，边箱在横隔板中间加设腹板横向加劲肋，这表明边箱横隔板中间加设的腹板横向加劲肋能有效提高横隔板的稳定性；该桥第四阶失稳模态才是钢箱梁腹板失稳，这表明该桥钢箱梁腹板稳定性高于横隔板稳定性。

表2 钢箱梁第一类失稳问题分析结果 下载原图

钢箱梁节段分析表明，钢箱梁在城-A级荷载作用下横隔板失稳特征值大于4，横隔板具有足够的稳定性，同时按3m间距布置横隔板能有效提高腹板稳定性。

图4 钢箱梁第一阶失稳模态（失稳特征值=7.189) 下载原图

建议钢箱梁桥设计时横隔板间距按3m间距布置，此时正交异性钢桥面板第二体系应力水平较低，钢箱梁腹板具有较高的稳定性，能满足钢结构规范中规定的桥梁横隔板间距不宜大于4m的要求，同时结构经济性较高。

横隔板厚度及加劲肋刚度是影响横隔板稳定性的重要因素，基于上述截面，通过改变横隔板厚度与横隔板开孔加劲肋厚度进行横隔板稳定性分析，见表3～表4。

表3 横隔板厚度对箱梁稳定性影响分析 下载原图

注：t1为横隔板厚度，h1为横隔板开孔上边缘距离箱梁顶板的高度。

表4 横隔板开孔处加劲肋对箱梁稳定性影响分析 下载原图

注：t2为横隔板开孔加劲肋厚度；b1为横隔板开孔加劲肋宽度；一阶失稳均为横隔板失稳。

由表3可知，横隔板厚度变化对横隔板稳定性影响较大，横隔板厚8～14mm时，箱梁一阶失稳为横隔板失稳，横隔板每减少2mm，横隔板一阶失稳特征值减少约30%，横隔板最大应力增加幅度较小，横隔板整体应力水平很低。当横隔板厚度为16mm时，箱梁一阶失稳模态为箱梁腹板失稳，横隔板稳定性高于腹板稳定性。同时计算表明，横隔板厚度变化对钢桥面板应力影响很小。在进行横隔板设计时，对于本文分析箱梁截面横隔板厚度宜采用12mm或14mm，横隔板厚度大于14mm不经济，厚度小于12mm横隔板稳定性不足。

由表4可知，上述截面在横隔板开孔后不进行加劲设计时，横隔板一阶失稳特征值仅为3.64，当采用宽200mm的板肋进行开孔加劲后横隔板稳定性有明显提升，但当加劲肋厚度大于8mm后，加劲肋厚度每增加2mm，横隔板一阶失稳特征值增加约4.7%～8.8%，对横隔板稳定性的提高较小，横隔板最大应力与加劲肋最大应力略有减小，但减小幅度不大。基于上诉分析，设计横隔板开孔加劲肋是必要的，但通过增加横隔板开孔加劲肋厚度提高横隔板稳定性的效率较低，建议类似本文研究的钢箱梁截面横隔板开孔加劲肋厚度采用10～12mm，宽度采用200mm。

基于上述分析，在满足钢结构桥梁设计规范的基础上，进行了横隔板设计内容的细化，给出了梁高小于2.72m的钢箱梁横隔板设计方案，方案建议横隔板间距采用3m，横隔板厚度采用12mm或14mm，横隔板开孔加劲肋采用10mm，宽度采用200mm，该横隔板设计方案能满足钢桥梁设计规范要求，同时钢材用量较少，具有较好的经济性。

武汉山湖大道项目的钢箱梁桥采用该方案进行了桥梁设计，该钢箱梁桥为跨线桥，汽车荷载等级采用城A级荷载，人群荷载按城市桥梁规范计算，跨径组成为（43 63 45) m，桥宽20.5m，梁高272m，最终施工图设计方案中横隔板间距按3m设计，横隔板厚度采用14mm，同时对横隔板进行了开孔处理，横隔板开孔加劲肋板厚10mm，宽200mm，该横隔板设计方案指导下主梁结构受力满足规范要求，结构用钢量较少，具有较好的经济性。

(1）对于研究的钢箱梁截面，横隔板在城-A级汽车荷载作用下结构应力水平较低，其稳定性是设计时的控制因素。从结构安全性与经济性考虑，在钢结构规范横隔板设计要求的基础上进行了细化，建议类似钢箱梁截面横隔板间距按3m设计，横隔板厚度取12～14mm，既满足结构稳定性要求，同时也满足结构强度与刚度要求。

(2）为减轻结构自重同时提高设计方案经济性，横隔板可进行开孔处理，但需在开孔边缘设置加劲肋，建议类似钢箱梁截面在设计时横隔板开孔加劲肋厚度采用10mm，宽度采用200mm。

(3）武汉山湖大道基于上述建议方案进行了钢箱梁设计，结构具有较好的受力性能，同时具有较好的经济性。

[1] 吴冲．现代钢桥：上册[M]．北京：人民交通出版社，2006.

[2] 叶华文，管乐，卫星．运营阶段大跨斜拉桥扁平钢箱梁横隔板受力分析[J]．重庆交通大学学报（自然科学版），2011(2):204-208.

[3] 李传习，袁鹏，罗超云，等．嘉绍大桥架设钢箱梁局部受力的不利阶段及其效应分析[J]．中外公路，2014(1):117-120.

[4] 张莉．横隔板及几何特征对钢箱梁畸变效应的影响[J]．铁道工程学报，2013(8):68-73.