正交异性板和钢箱梁研究报告

第二章 正交异性板钢桥面概述
2.2 正交异性板钢桥面的结构行为概述 应力叠加
正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究
四川省交通厅公路规划勘察设计研究院
第三章 Peklian-Esslinger 法
第二体系(桥面体系)是多次超静定结构，计算比较复杂，通常采用简化的方 法分析，如P-E法、正交异性板理论、折板理论、有限元和有限条等方法。上个 世纪50年代，前联邦德国的WPelikan 和M Esslinger提出用正交异性板理论计 算钢桥面板，本章主要介绍P-E计算正交异性板基本理论。 3.1 P-E法概述
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第二章 正交异性板钢桥面概述
2.2 正交异性板钢桥面的结构行为概述 1)正交异性板桥面系统的构件 顶板既形成纵肋、横肋的翼缘部分，同时又作为主梁的上翼缘部分共同受力，
其结构行为非常复杂。全部采用板壳单元模拟，一次得到整个结构的全部内力和 应力，非常不经济的，还是将其内力分析分为三个体系来计算。
5) 以英国规范BS5400为基础给出了采用弹塑性理论分析钢箱梁腹板和横隔板 稳定性的步骤，将有限元分析的结果和设计规范紧密的结合起来，编写了钢箱 梁腹板和横隔板稳定性计算程序SBP，通过多个算例对程序进行考证，计算结 果可靠。
6) 将SBGAS、ODAS和SBP等程序汇总称为正交异性板和钢箱梁分析系统(OPBAS) 曾成功用于大跨悬索桥和斜拉桥钢箱梁的结构设计和计算中，解决了大型桥梁 设计计算中的复杂问题。
为了考虑闭口加劲肋之间的荷载分配，假想在纵肋之间有虚拟的梁单 元将各个纵肋连在一起，直接承受荷载的纵肋通过假想的配梁将荷载传给附 近的纵肋，采用位移法求解。由于通过假想的等效分配梁将荷载分配给其它 的纵肋，所以称为等效格子梁法。可以考虑有悬臂板、钢箱梁内设置纵隔板 等情况，使用的范围比较广。
正交异性板桥面等效格子梁法分析的思路是用一个等效的梁格体系来 代表正交异性板桥面。对每根纵肋和横肋(横隔板)采用与其中心线相重合的 梁单元近似模拟，即等效格子梁的布置与纵肋和横肋(横隔板)的位置一致。
选择正交异性板和钢箱梁设计中比较复杂的两个问题，为主要研究内容。 1) 正交异性板钢桥面的计算理论汇总和研究，对目前国内外正交异性板计算 的实用理论进行研究，对常遇情况下的正交异性板编制计算程序。 2) 钢板梁和钢箱梁腹板、横隔板在多向应力状态下稳定性研究，采用加劲板 理论研究钢箱梁腹板和横隔板稳定性，对设计进行优化，更可靠、经济合理。
横肋设计时，如果横肋是简支在主梁腹板 上或主梁腹板抗扭刚度较小，应检查横肋跨中附 近的正弯矩。如横肋连续支承在多个主梁的腹板 上，要考虑横肋靠近主梁腹板的负弯矩，一般情 况下其支点负弯矩最好取跨中正弯矩的80%左 右。
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第三章 Peklian-Esslinger 法
P-E法的缺点： 只适用于桥面简支在钢箱梁腹板上的情况。很难考虑有悬臂板、纵隔
板的钢箱梁，箱梁周边对横隔板的弹性镶固作用。只能近似得到横隔板的弯 曲正应力和弯曲剪应力。
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第四章 正交异性板计算的等效格子梁
4.1 正交异性板钢桥面第二体系应力分析的等效格子梁模型
第二章 正交异性板钢桥面概述
2.2 正交异性板钢桥面的结构行为概述 传统明桥面的设计方法认为车轮荷载先由桥面板传递给纵梁，纵梁传递给
横梁，横梁再传递给桁架或主梁，桥面系对桥梁纵向抗弯刚度基本没有贡献。 正交异性板桥面是将桥面板、纵肋和横肋连接成为一个整体而形成上翼缘，桥 面和主梁受力特征的差别变得不再非常明显。桥面板和纵肋成为主梁的一部分 (上翼缘)，桥面也可以为桥梁提供足够的横向刚度。
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第一章 项目来源和研究工作概况
研究目的
四川省钢箱梁设计刚起步，但是四川省交通厅公路规划勘察设计研究院已 经在外省设计和设计咨询一些钢桥。研究正交异性板和钢箱梁设计中两个关键 问题，无论是作好技术储备，还是进入外省大跨度桥梁设计市场都是很必要的。 在本课题即将结束之时获悉四川南溪长江大桥采用主跨820米的钢箱梁悬索桥， 这标志着钢箱梁首次走进四川的大跨度桥梁领域。 研究工作内容
四川省公路和市政桥梁基本上还没有采用正交异性板和钢箱梁结构。但是 随着四川经济的发展和大家对钢结构桥梁的认识，以及外省多座钢桥的影响， 大家认识到正交异性板和钢箱梁用于四川的大跨和城市桥梁是很有潜力的， 2003年四川省交通厅公路规划勘察设计研究院向四川省交通厅申请《正交异性 板和钢箱梁设计关键技术研究》课题，在2003年8月得到交通厅的批准并立项。
等效格子梁法和P-E法的比较
在横桥向，M(x)的分布如图，纵肋的弯矩常采用以下两种方法： P-E法：M(max) 乘以纵肋的间距(a+e)，其物理意义是矩形包围的面积。 积分法：对纵肋宽度范围内(=a+e)的弯矩M(x)进行积分，物理意义是曲线
M(x)包围的面积。
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第一章 项目来源和研究工作概况
研究工作的完成情况和主要成果
本研究基本上完成了预定的两个研究内容，并取得了以下研究成果。
1) 总结了Peklian-Esslinger法计算正交异性板的步骤和公式，并采用此 法编写了正交异性板钢桥面分析程序(SBGAS程序)，对程序进行考证，计算结 果可靠。
本项目的主研人员也多次被邀请为专家参加包括苏通长江大桥在内的多座 大桥的评审，多次参加交通部钢结构桥梁设计规范研讨会等。
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第二章 正交异性板钢桥面概述
合成桥面系 非合成桥面系
合成桥面系是指桥面系除了将荷载传递给 主梁，其本身还要参与主梁受力的桥面系， 例如和主梁连接在一起的正交异性板钢桥 面(正交异性板和主梁之间传递剪力) 正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院
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第四章 正交异性板计算的等效格子梁
等效格子梁法的物理意义是将每一构件的刚度集中到与其毗连的邻近梁 格内，换句话说纵肋刚度集中到梁格的纵梁内，横肋的刚度集中到梁格的横 梁内。当承受荷载时，正交异性板桥面和等效格子梁的挠度相等，等效格子 梁的内力等于它所代表的构件的内力。
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第一章 项目来源和研究工作概况
本项目的研究成果曾经用于南京长江二桥，湖北军山长江大桥，广东中山 一桥，重庆鱼嘴长江大桥、广州珠江黄埔大桥北汊桥、广州珠江黄埔大桥南汊 桥，重庆石板坡长江大桥，重庆菜园坝长江大桥，广州猎德珠江大桥等多座大 桥的设计(咨询)或科研工作。
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第三章 Peklian-Esslinger 法
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第三章 Peklian-Esslinger 法
纵肋设计时，最好计算A和B点。B点位于横 肋跨中和纵肋的跨中附近，横肋的竖向变形比较 大，纵肋跨中的竖向变形也比较大，导致纵肋的 跨中正弯矩比较大，要验算该点纵肋的跨中弯矩。 A点位于最靠近主梁腹板的纵肋和横肋相交的位 置，此处横肋弹性变形较小，横肋支承作用比较 强大，纵肋变形较小，纵肋支点负弯矩较大，因 此要验算支点负弯矩。
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第四章 正交异性板计算的等效格子梁 第四章 正交异性板计算的等效格子梁
Pe法的优点： 最为常用，虽然比较繁琐，但P-E法概念清楚、易于理解，且因提出比
较早影响比较大，而且可以进行手算，早已被多数工程师所熟悉，至今P-E 法仍被广泛地应用于正交异性板钢桥面的计算分析。
四川省交通厅科研项目
正交异性板和钢箱梁 设计关键技术研究
研 究报告
四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 课题负责人 ： 王应良 2006年12月
目录
1 项目来源和研究工作概况 2 正交异性板钢桥面概述 3 Peklian-Esslinger法 4 正交异性板计算的等效格子梁 5 钢梁腹板弹性稳定理论 6 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析 7 结束语
为了方便设计根据结构的变形将其受力划分为以下三个体系： (1) 第一体系：结构总体体系。 (2) 第二体系：桥面体系。 (3) 第三体系：支承在纵向加劲肋腹板之间的桥面板的变形。 实际上这三个体系是共同作用的，此处为了便于理解，分为三个体系。
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第一章 项目来源和研究工作概况
任务来源
20世纪80年代末期，随着我国经济的发展，尤其是公路和城市桥梁的迅速 发展，促进了钢桥的发展，尤其是钢桥恒载小、建筑高度低，工厂加工的质量 容易保证，施工速度快等优点，钢桥类型遍及梁桥，拱桥，斜拉桥，悬索桥。 这些桥梁主要采用钢箱作为主梁或者拱肋。我国近年来每年钢桥用钢量保守的 估计在10万吨以上。
3.5 程序设计
根据以上Peklian-Esslinger理论]编写了正交异性板钢桥面分析系统 (SBGAS系统)，该程序适用于纵向采用闭口加劲肋的正交异性板钢桥面。该程序 自从1997年起先后完成南京长江二桥、湖北军山长江大桥、上海卢浦大桥、广 州珠江黄埔大桥等多座大桥的计算。
正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究
认为钢桥面是支承在刚度无限大主梁和等间距弹性横梁上连续正交异性板。 P-E法计算正交异性板钢桥面第二体系应力的基本假定为： 1) 假设钢桥面板在顺桥向简支在箱梁或板梁的腹板上，在横向弹性支承在 间距相等的横肋或横梁上。 2) 桥面板计算时，假定钢梁腹板的抗弯刚度无穷大，在顺桥方向等间距布 置的纵肋连同桥面盖板的纵向抗弯刚度为： 3) 横向抗弯刚度等于桥面板刚度Dp
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第三章 Peklian-Esslinger 法
计算分为以下两个阶段： 第一阶段：假定横肋的刚度无穷大，计算纵肋和横肋中的最大弯矩，并计 算横肋的支反力； 第二阶段：根据第一步计算得到横肋的支反力并考虑横肋的柔性对第一步 计算得到的纵肋和横肋的弯矩进行修正。 由于横肋的变形，纵肋的支点弯矩减小，跨中弯矩增大，横肋的跨中弯矩 减小，在第二阶段就是对以上数值进行修正。
2) 建立了流线型扁平钢箱梁第二体系应力分析的等效格子梁模型，仔细推 导了等效格子梁法的计算公式；采用等效格子梁法编写正交异性板钢桥面分析 程序(ODAS系统)，计算结果可靠，适用于有悬臂板和纵隔板的钢箱梁。
3) 对高厚比较大的钢箱梁腹板和横隔板提出了相应的设计思路，给出了加 劲板三类临界刚度的意义，弹性理论计算腹板稳定的基本理论基础，加劲肋合 理位置的选择。
事实上，等效格子梁和正交异性板有着不同的结构特征，因此，这个 假想只能是近似的，一般认为梁格布置越密，这种近似性就越好，计算结果 也更符合实际，这种分析方法不仅适用于正交异Βιβλιοθήκη Baidu板，而且适用于斜交异性 板和曲线梁分析。
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第四章 正交异性板计算的等效格子梁
第四章 正交异性板计算的等效格子梁
采用等效格子梁理论，编写ODAS程序，下面通过算例来相互考证。 算例1
以图所示的正交异性板桥面结构作为算例进行分析，等效格子梁法的计算 模型图所示，假设在纵肋跨中设置一个假想的等效分配梁，其刚度由ODAS程序 求得I(eq)=5.45105mm4。
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第一章 项目来源和研究工作概况
4) 建立横隔板内力计算的空间节段模型，用该模型得到的结果可靠、全面， 可以优化开口(人洞)位置，得到的应力可直接其稳定性进行检算。尤其是对斜 拉桥钢箱梁吊机前支点横隔板进行了详细的有限元分析得到其应力场分布。