钢箱梁第二体系计算分析

陈志星

中都工程设计有限公司华南分公司  510075

摘要：本文以广州某快速路匝道钢箱梁桥为例，采用Midas有限元软件分别建立单梁模型和梁格模型，对钢箱梁常用的第二体系简化计算方法进行对比分析。通过对比不同计算模型下应力分布和应力大小等结果，以期比较得出钢箱梁第二体系计算的简化方法，并能为类似工程设计提供工程参考。

关键词：钢箱梁；第二体系；单肋模型；梁格模型；

0 引言

钢箱梁具有材料利用率高、结构自重轻、抗弯和抗扭刚度大、施工快速方便和便于养护等优点，因此大范围应用于城市桥梁和快速公路桥梁的建设。但由于钢箱梁属于薄壁结构，其在整体荷载、局部荷载作用下的受力行为非常复杂。若在设计中采用板壳单元模拟整个桥梁模型，从而得出其内力和应力是效率很低的方法。

在实际的工程应用中，设计者为了简便、高效的分析钢箱梁桥的安全性，通常将其内力分析分为三个体系计算——第一体系（主梁体系），采用纵向梁单元模拟计算；第二体系，由纵肋、横肋和桥面板组成的桥面结构体系；第三体系（面板体系），通常用于疲劳验算。由于第二体系为多次超静定结构，实际计算时通常采用单肋模型和等效格子梁法进行简化分析。本文以广州某快速路钢箱梁匝道进行分析。

1 工程概况

该匝道桥为跨径（48.5+49）米的单箱三室钢箱梁桥，梁高为2.2米，桥宽为10.4米，其中钢箱梁顶板宽10.1米，翼缘板长1.73米，底板宽5.76米。腹板全桥等厚设计为16mm，钢箱梁跨中顶底板厚16mm，在距中横隔约1/5跨径处，顶底板分别加厚到20mm，中横隔及端横隔范围内顶底板采用25mm厚钢板。考虑到该匝道桥曲率半径小于300m，为方便施工，顶板、底板及悬臂纵向加劲肋均采用I肋截面，板厚16mm，高度180mm，间距250~330mm。腹板在下翼板与腹板交界处及距离梁顶、底板约四~五分之一处均设置了I肋加强，以防止腹板局部失稳，I肋板厚16mm，高度160mm。钢箱梁横断面如下图所示：

图1 钢箱梁横断面图

2 模型建立

本文将通过建立单肋模型和整体模型，两种有限元模型对钢箱梁的第二体系进行模拟分析。其中，整体模型采用梁格体系，将桥面板根据纵加劲肋或横隔板按有效宽度纵横向分割，在纵向腹板处施加边界。单肋模型就是纵向加劲肋附带一块一定横向宽度顶板厚度的模式，在隔壁位置设置边界。钢箱梁第二体系单肋模型和梁格模型，如图2所示。

（a）梁格模型                          （b）单肋模型

图2 第二体系计算模型

3  计算结果分析

计算结果如表1所示，单肋模型与梁格模型计算所得跨中顶板最大压应力分别为15.6MPa和13.5MPa，数值差异较小，约为16%。单肋模型与整体模型计算所得跨中底板最大拉应力分别为55.1MPa和34.5MPa，差异较大，约为60%。该结果可能由于单梁模型忽略横向相邻构件的相互作用，而在梁格模型中相邻构件在一定程度下提供了约束，使得梁格模型中整体应力结果小于单梁模型。

表1 整体模型和单肋模型第二体系应力结构

项目	顶板		底板
	最大拉应力（MPa）	最大压应力（MPa）	最大拉应力（MPa）	最大压应力（MPa）
单肋模型	13.5	-15.6	55.1	-47.7
梁格模型	13.4	-13.5	34.5	-35.9

4 结语

       通过建立单肋模型和梁格模型，对钢箱梁桥的第二体系进行计算分析，可得单肋模型得出的应力结果均大于梁格模型。由于单肋模型结构简单和计算简便，且结果具有一定的保守性，可作为结构安全富余。综上所述，考虑到实际工程设计的便捷性、安全性等因素，在工程设计中利用单肋模型对钢箱梁第二体系计算更为方便。

参考文献：

[1] 贾高炯. 钢箱梁桥设计[M]. 北京: 人民交通出版社, 2016.

[2]吴冲. 现代钢桥[M]. 人民交通出版社, 2006.

[3]范立础. 桥梁工程.上册[M]. 人民交通出版社, 2012.