钢箱梁桥面板第二体系挠度及应力的计算分析

新标准下钢箱梁应力计算分析发表时间：2018-04-19T16:03:26.047Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第33期作者：周成斌[导读] 交通部新颁发的《公路工程技术标准》（JTGB01-2014），对汽车荷载做了修改，相对于04规范，荷载有所提高。

中铁八局集团有限公司四川成都 610036 摘要：依据交通部颁发《公路工程技术标准》（JTGB01-2014），结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015），对钢箱梁进行整体静力计算分析及截面内力应力验算为理论分析基础；采用MidasCivil2013空间三维有限元程序对20m+30m+30m+20m跨径钢箱梁的工程实例进行应力及疲劳分析，得出相关结论，以供参考。

关键词：加筋肋；腹板；顶底板；Q345d钢材；抗疲劳中图引言交通部新颁发的《公路工程技术标准》（JTGB01-2014），对汽车荷载做了修改，相对于04规范，荷载有所提高，而对于钢结构桥面板，汽车荷载对其影响尤为突出，鉴于此，采用实例，并结合新颁发的钢结构桥梁设计规范对钢箱梁整体及局部进行验算，以得出设计差异，供从业者做分析参考。

1.工程概况本次结构分析根据国内某工程实例，本桥为某高速公路项目互通匝道上跨主线桥，该桥全长106.06m，桥面全宽10.5m，桥面布置为0.5m（防撞护栏）+9.5m（行车道）+0.5m（防撞护栏），采用单箱双室截面，梁高1.6m，施工方法采用工厂加工，现场分节段吊装。

典型横断面如图1图3.结构模型图2）计算荷载参数a．恒载一期恒载：包括主梁梁体及横隔板（包括实腹式横隔板、框架式横隔板、中支点横隔板、边支点横隔板、封头横隔板、翼缘横隔板），钢材容重取78.5kN/m3。

二期恒载：10cm厚沥青混凝土铺装，容重取24kN/m3；护栏，取10.9kN/m。

b．设计荷载：公路Ⅰ级。

c．温度作用：根据《公路桥涵设计通用规范》D60—2015，本项目位于寒冷地区，钢结构桥梁按最高温46度，最低温-21度。

图1 钢箱梁跨中横断面2.2 荷载简化和模型建立因为第二体系应力侧重研究荷载在纵肋和横肋上的传递规律，其中桥面板看作是纵肋和横肋的翼缘；应力值都比较小，均在结构的线性变形范围内。

基于以上考虑，本文选取简支钢箱梁跨中段建立模型，分析车辆荷载作用下的应力传递规律，建筑与装饰2019年7月上 123图2 车辆荷载单组车轮横向加载图车轮集中荷载转化为均布压力荷载，作用面积取0.3×0.5m2。

利用midas板单元（薄板）分别模拟钢箱梁的顶板、腹板、底板和加劲肋，各部件采用共用节点方式满足变形协调。

图3 模型和加载图2.3 钢箱梁第二应力传递分析取钢箱梁模型顶板进行研究，分别标识出横隔板、腹板位置，顶板应力见下图。

图4 顶板应力图横隔板与腹板相交处和腹板线位置处的顶板应力均较大，前者应力最大约为32Mpa，后者应力约为23Mpa。

应力传递路径：横桥向通过U肋与顶板将荷载传递至腹板；顺桥向通过U肋将荷载传递至横隔板再传递至腹板。

两横隔板间车轮荷载产生的应力主要分布在两横隔板间的范围内，横隔板以外应力很小。

取钢箱梁模型三道腹板进行研究，分别标识出横隔板位图5 三道腹板应力图腹板应力主要分布在两横隔板之间，竖向集中在距端部1/10范围内，应力最大约为26.5Mpa。

取钢箱梁模型顶板加劲肋进行研究，分别标识出横隔板位置，加劲肋应力见下图：图6 加劲肋应力图加劲肋的应力影响范围在顺桥向三跨横隔板范围内，最大值出现在荷载作用位置，应力最大值约为36Mpa。

底板和底板加劲肋的应力值很小，可以忽略不计。

 结束语根据模型计算结果分析，集中荷载作用在两横隔板中间时，可以得出以下结论：①钢箱梁顶板应力主要分布在两横。

图1 主梁断面图（单位：厘米）
技术应用
恒载包括钢梁箱体结构自重，护栏，桥面铺装等。

汽车荷载采用公路Ⅰ级车辆荷载。

第二体系为板单元模型，计算程序内置车轮荷载为集中力，直接计算，结果受应力集中影响较大，不够准确。

本计算采用影响面分析，确定移动荷载车轮作用位置，然后采用实际车轮作用范围进行加载的方法进行计算。

五、桥面板第二体系强度分析1.最大拉应力
本桥顶板第二体系顺桥向最大拉应力出现在4086号单元，其位置为横向位于两腹板中间，纵向位于两横隔板跨间的U 肋下缘，最大拉应力为82.1MPa，最大应力出现位置及云图如图4、5所示：
2.最大压应力
本桥顶板第二体系顺桥向最大压应力出现在882号单元，其位置为横向位于两腹板中间，纵向位于横隔板处 2.第二体系最大压应力
在基本组合下，顶板第二体系最大压应69.6MPa，其位置为横向位于两腹板中间，纵向位于横隔板处的U 肋下缘。

3.总体设计控制
此为标准段的第二体系计算结果，考虑到需与第一体系计算结果叠加，可据此结果大体确定第一体系的应力余量。

（作者单位：中国铁路设计集团有限公司）
图4 4086号单元最大拉应力时荷载作用位置
图5 顶板第二体系最大拉应力（MPa）
图6 882号单元最大压应力时荷载作用位置
图7 顶板第二体系最大压应力（MPa）
图2 整体有限元模型
图3 顶板底部有限元划分。

钢箱梁桥的有限元分析1．钢箱梁桥的概述在大跨度桥梁的设计中，恒载所占的比重远大于活载，随着跨度的增大，这种比例关系也越来越大，极大地影响了跨越能力。

因此，从设计的经济角度来说，考虑减轻桥梁结构的自重是很重要的。

钢材是一种抗拉、抗压和抗剪强度均很高的匀质材料，并且材料的可焊性好，通过结构的空间立体化，钢桥能够具有很大的跨越能力。

随着高强度材料和焊接技术的发展，以及桥梁设计、计算理论的发展和计算机技术发展，从50年代以来，钢梁桥地建设取得了长足的发展，欧洲相继建造了多座大跨钢桥。

从前被认为不可能计算的复杂结构，现在能够通过计算机完成，并且计算结果与实测结果吻合较好。

同过去相比，在相同的跨度与宽度的条件下，用钢量可减少15一20 %，工期与工程的造价也都减少很多，因此钢桥在大跨桥梁领域内具有相当强的优势和竞争力。

在构成钢桥的主要构件中，其翼缘和腹板均使用薄板，其厚度与构件的高度和宽度比都比较小，是典型的薄壁构件。

它与以平面结构组合为主的桥梁结构分析有一定的区别，它涉及到很多平面结构中不常考虑的扭转问题，所以必须依据薄壁结构理论才能明了其应力和应变状态，其应力及变形应按照薄壁结构的理论进行计算。

由于钢箱梁桥是空间结构，结构在恒载或活载的作用下会发生弯一扭藕合。

如果采用传统的计算手段和方法，计算模型要进行必要地简化，为了简化计算，一般的设计规范都要通过构造布置，使实际结构满足简化后的计算理论。

实践表明在满足构造要求后，计算的精度能够满足实际地需要。

但是这样的计算无法得到结构的一些特定部位的精确解，例如变截面和空间构件交汇的部位等。

随着计算机技术和有限元理论的发展和进步，计算机的有限元法己成为现代桥梁的重要计算手段，不但有很高的效率而且可以根据实际的需要进行仿真分析，计算结果经验证与结构的实际结果吻合较好。

当前结构的计算机仿真分析已成为一种广为应用的计算手段。

同一座桥梁可以采用不同的施工方法，但是成桥后的最终应力状态会有差异，结构的最终应力状态与安装过程密不可分。

智城建设NO.04 202499智能城市 INTELLIGENT CITY 钢箱梁第二体系应力的实用计算方法对比王伟 张国飞（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430063）摘要：文章以G107武汉市东西湖段（高桥二路—额头湾）快速化改造工程九通路钢箱梁为例，采用Midas Civil 2020分别建立钢箱梁第二体系的单肋模型、梁格模型和梁板模型，通过对比3种建模方式下钢箱梁第二体系应力大小，论证了单肋模型的计算结果偏安全，为同类型桥梁的计算分析提供参考。

关键词：钢箱梁；第二体系；单肋模型；梁格模型；梁板模型中图分类号：U441.5 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2024）04-0099-03DOI：10.19301/ki.zncs.2024.04.031Comparison of practical calculation methods of stressin the second system of steel box girderWANG Wei ZHANG Guo-feiAbstract：Taking the Jiutong Road steel box girder of G107 Wuhan East West Lake Section (Gao Qiao No.2 Road—E Tou Wan) as an example, the single rib model, beam lattice model, and beam-palte model of the second system of steel box girder are established by Midas Civil 2020. By comparing the stress of the second system of steel box girder under three modeling methods, the calculation results of the single rib model are proved to be safe, which provides a reference for the calculation and analysis of the same type of bridges.Key words：steel box girder; the second system; sngle rib model; beam lattice model; beam-plate model正交异性钢桥面板通常按照3个基本结构体系进行研究，在荷载作用下，钢桥面板任一点的内力均可由3个体系叠加近似求取[1]。

浅谈钢箱梁第二体系应力计算摘要：钢箱梁第二体系应力计算主要是考虑到加劲肋与桥面板共同受力对桥面板应力的影响，由于对常规钢箱梁桥进行分析时，常用的是建立单梁模型对桥梁整体进行分析，横隔板转换为集中荷载施加到主梁上，这就不能考虑到纵向加劲肋对桥面板受力的影响，如果想要得到第二体系应力影响，保证结构安全，需要建立整体实体有限元模型，但是这种建模较为复杂，花费时间较长。

因此在工程设计中常通过建立局部模型对钢结构第二体系进行分析。

以设计中参与的一个简支钢箱梁计算为例，采用桥博V4分别建立了简支U肋梁、连续U肋梁、梁格体系对钢箱梁第二体系进行了分析，现以桥博V4简支梁计算结果与手算计算结果加以对比，结果如下：一、桥博建模流程大致如下：1.首先通过桥博V4横向分布系数计算工具求解U肋的横向分布系数，考虑到单车道影响系数1.2，得到中间U肋的横向分布系数为0.6，与手算结果一致。

2.通过桥博V4中截面工具定义悬臂线、腹板线、分梁线求解U肋有效宽度，采用BS400升降温考虑梯度温度效应。

3.考虑U肋顶桥面板部分二期铺装。

4.采用公路车辆荷载加载，局部冲击系数为0.3。

图1： U肋横向分布系数（杠杆法）图2：桥博V4 简支U肋模型二、手算结果与桥博V4结果对比如下：图3：跨中最大弯矩影响线加载与桥博4对比1.由图3可知，跨中手算最大弯矩为84*0.4*2=67.2KN*m(未考虑汽车0.3冲击系数)，与桥博V4吻合考虑到汽车冲击系数（1.3）、车辆荷载组合系数（1.8）、结构安全系数（1.1），活载引起的设计弯矩为1.3*1.8*1.1*67.2=172.97KN*m，桥博计算结果见图5（包含恒载弯矩，但恒载弯矩较小），结果表明手算与桥博4计算结果一致。

图4：基本组合下跨中弯矩设计值2.顶底缘正应力计算由桥博V4和CAD对截面惯性矩进行求解对比，得到截面惯性矩（桥博V4有效截面宽度系数为1），Ix=0.0001668m4,形心距离上缘y上=0.072439m, y下=0.222561m,手算跨中翼板上缘正应力σx=My*y/Ix=172.97*0.072439/0.0001668=75Mpa(压应力)，下缘正应力σx=My*y/Ix=172.97*0.222561/0.0001668=230.8(拉应力)。

钢结构桥梁钢箱梁的计算与应用分析摘要：随着我国国民经济的迅速发展，在国家的大力支持下钢铁冶炼技术在逐步的提高，加上设计、施工水平的提升，带动了钢材在公路、市政桥梁方面应用与普及，带动了钢结构桥梁制造技术的进步。

本文对钢箱梁主梁纵向体系和横向体系的分析验算以及钢箱梁尺寸的拟定分别进行了简要的说明分析，针对钢结构桥梁的特点和发展方向进行了论述。

关键词：钢结构；钢箱梁；计算；模型；应用引言：钢材在我国土建及交通工程上的应用已经有一百多年的历史，而国内从90年代便逐渐涌现了一些知名的钢结构桥梁，如坐落于天津的解放桥建成于1902年，上海的白渡桥于1907年建成通车，以及于1937年由知名桥梁大师茅以升主持建造的钱塘江大桥。

一、钢结构桥梁的特点1、钢桥的优点钢桥保留了大多钢材自身拥有的一些特性，比如材质均匀：钢材组织较为均匀，基本上接近于各向同性均质体，钢材为理想的弹塑性材料。

钢桥相比混凝土桥、石拱桥等桥型其自重较轻。

制造安装方便，工厂内并不需要大量的材料比如脚手架和模板等，也正是由于钢材的上述原因，故而可以减少钢桥施工的时间，相比钢筋混凝土桥梁减少了混凝土养护的时间，可以较为行之有效的缩短工程工期。

钢桥采用无支架施工，相比混凝土桥型众多的满堂支架施工，可以实现无障碍跨越铁路、高速公路、城市交叉口等。

其塑性和韧性好，具有可焊性和密封性，耐热性较好，污染少、环保；可重复利用有利于可持续发展。

2、钢桥的缺点由于钢材的特性，造成钢桥的耐火性及耐腐蚀性较差，钢结构在潮湿或者某些具有腐蚀介质的环境中，容易生锈，故而造成钢桥最为显著的特点之一，需要定期的养护，从而造成后期管理费用和工程造价的增加。

二、钢箱梁主梁纵向体系分析验算1、第一体系应力验算（主梁体系）可采用结构有限元计算程序Midascivil、桥梁博士等进行结构计算。

结构分析施工阶段按如下划分，第一阶段为在支架上焊接钢梁，完成天数为7天；第二阶段关于桥面铺装及护栏的施工，完成天数为14天；第三阶段，运营阶段完成天数为1000天；进行持久状况正常使用极限状态主梁验算。