高架桥钢箱梁有限元分析和横隔板设计

高架桥钢箱梁有限元分析和横隔板设计
秦健淇;郑凯锋;熊扬
【摘要】文章针对跨度40m、单幅宽度为12.45 m、三车道、双箱单室某高架钢箱梁桥,采用Midas-FEA有限元分析软件,建立全桥有限元模型,进行应力和变形分析.在保持腹板间距,U肋布置和顶底板厚度不变,以满足设计规范要求,选择横隔板间距为设计参数进行优化.重点分析横隔板从17道减少到15道、13道、11道和9道时,车轮荷载重轴施加于跨中横隔板中间的顶板,顶板和U肋下缘的挠度、纵向正应力和横向正应力的变化规律;以及车轮荷载重轴施加于横隔板支点处的顶板,顶板和U肋下缘纵向正应力和横向正应力的变化规律.结果表明:随横隔板数量增加,重轴施加于相邻横隔板中间或支点处,顶板和U肋下缘的挠度和应力的绝对值都减小.根据计算,采用11道横隔板能满足设计规范要求.
【期刊名称】《四川建筑》
【年(卷),期】2018(038)006
【总页数】3页(P169-171)
【关键词】横隔板;有限元;城市高架桥;正交异性板;优化设计
【作者】秦健淇;郑凯锋;熊扬
【作者单位】西南交通大学,四川成都610037;西南交通大学,四川成都610037;重庆市交通规划勘察设计院,重庆401147
【正文语种】中文
【中图分类】U442.5+4
因钢箱梁具有自重轻、跨越能力大、施工周期短和制造架设方便等优点，故在城市桥梁中被广泛地应用。

例如在城市道路口处采用钢箱梁，主要考虑其自重轻和跨越能力大的特性；在匝道弯道处采用钢箱梁，主要考虑其架设方便特性；在立交桥改造时采用钢箱梁，主要考虑其施工周期短特性。

成都二环路高架桥为城市高架桥，全线桥梁面积约为80×104 m2，其中钢箱梁桥梁面积约为20×104 m2左右，可见二环路高架桥有近1/4的桥梁采用钢箱梁桥。

故钢箱梁桥在成都二环路中得到
了充分利用，其既能满足受力要求，又能达到美观需求[1]。

钢桥面板除了有桥面和桥面系的作用外，还作为主梁的一部分发挥作用。

为了分析方便，通常按3个基本体系对钢桥面板加以研究。

即第一体系：作为箱梁整体，
参与主梁工作；第二体系：支承于主梁上的桥面系结构，包括横桥、纵肋与桥面板；第三体系:单纯的桥面板[2]。

本文在有限元计算的基础上，保持腹板间距，U肋布置和顶底板厚度不变，以满足设计规范要求。

选择横隔板间距为设计参数进行优化，探讨了顶板和U肋下缘的
挠度、纵向正应力和横向正应力的变化规律，为中小跨径箱梁的设计提供理论依据。

1 工程概况和建模
本桥为简支钢箱梁桥，全长为41 m。

钢箱梁梁高为2.1 m，顶板厚度16 mm，
底板厚为20 mm，腹板厚20 mm，顶板采用U形闭口加劲肋。

横向标准间距为600 mm，上宽300 mm，下宽170 mm、高280 mm、钢板厚8 mm。

底板采
用板形加劲肋，标准间距为500 mm、高120 mm、钢板厚10 mm，其余构造详见箱梁构造图[4]。

横断面如图 1所示。

(a)标准横隔板断面(2.1m高)
(b)支点横隔板断面(2.1m高)图1 横断面尺寸(单位：mm)
桥面铺装层采用沥青混凝土，厚度70 mm；车轮轮胎加载模拟块高度200 mm；
支座垫块高度40 mm；橡胶支座高度60 mm；钢垫块高度40 mm。

全桥模型中，桥面铺装层、护栏、轮胎块、支座垫块、橡胶支座、钢垫块采用实体单元模拟，其余采用板壳单元。

全桥有限元模型共有44 767 个节点和62 710个
单元。

桥梁按实际简支边界条件进行约束。

采用节点耦合连接顶板和铺装混凝土、底板和支座。

恒载包括结构自重和二期恒载，全桥为单向三车道，按照CJJ 11-2011《城市桥梁设计规范》活载选用城-A标准车辆进行加载。

车量荷载按纵向弯矩影响线的最不
利位置进行布载。

车辆横向布置如图2所示。

荷载组合考虑1.1梁自重+1.2二期恒载+1.8车辆，结构重要性系数取1.1。

[3]
2 中间横隔板的间距和数量
本文设计采用实板式横隔板。

设中间横隔板数量为N，且在跨内的数量依次递增。

中间横隔板的具体布置形式如图4所示。

(a)车辆荷载200kN重轴位于跨中示意
(b)车辆荷载200kN重轴位于支点示意图2 车辆布置
全桥有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型
(a)9道横隔板
(b)11道中间横隔板
(c)13道中间横隔板
(d)15道中间横隔板
(e)17道中间横隔板图4 中间横隔板布置(单位：mm)
3 计算分析
表1、表2可以看出，顶板(U肋下缘)最大横向正应力以受拉为主，随着横隔板数量的减少，其绝对值逐渐增大。

当横隔板数量在17～11之间变化时，顶板(U肋
下缘)最大横向拉应力随数量变化而影响较小；横隔板数量在11～9之间变化时，顶板(U肋下缘)最大横向拉应力随数量变化而影响较大。

顶板(U肋下缘)最大纵向正应力以受压为主，随着横隔板数量的减少，其绝对值逐渐增大。

当横隔板数量在17～13和11～9之间变化时，顶板最大纵向拉应力随数量变化而影响较小；横隔板数量在13～11之间变化时，顶板最大纵向拉应力随数量变化而影响较大。

顶板挠度逐渐增大。

表3、表4恒载+车辆重轴在支点处组合顶板应力对比，顶板(U肋下缘)最大横向正应力以受拉为主，随着横隔板数量的减少，其绝对值逐渐增大。

当横隔板数量在17～11之间变化时，顶板(U肋下缘)最大横向拉应力随数量变化而影响较小；横隔板数量在11～9之间变化时，顶板(U肋下缘)最大横向拉应力随数量变化而影响较大。

顶板(U肋下缘)最大纵向正应力以受压为主，随着横隔板数量的减少，其绝对值逐渐增大。

当横隔板数量在17～13和11～9之间变化时，顶板最大纵向拉应力随数量变化而影响较小；横隔板数量在13～11之间变化时，顶板最大纵向拉应力随数量变化而影响较大。

顶板挠度逐渐增大。

在中间横隔板布置为17道，恒载+活载重轴在跨中横隔板处组合时，部分应力结果如图5所示。

表1 恒载+车辆重轴在跨中横隔板处组合顶板应力及挠度对比 MPa中间横隔板数横向正应力纵向正应力挠度/mm最大最小最大最小最大1793.6-74.826.7-
49.154.715150.9-27.635.6-58.959.113186.5-76.146.2-69.759.511216.2-137.560.1-102.459.99289.1-44.163.8-110.560.4
表2 恒载+车辆重轴在跨中横隔板处组合顶板纵肋应力对比 MPa中间横隔板数横向正应力纵向正应力最大最小最大最小1719.6-13.524.1-19.81520.1-17.867.8-
45.71325.2-19.172.9-57.11138.7-24.5120-117.8946.6-29.1148.8-77.6
(a)恒载+活载重轴在跨中横隔板处组合顶板横向正应力(最大93.6MPa，最小-
74.8MPa)
(b)恒载+活载重轴在跨中横隔板处组合顶板纵向正应力(最大26.7MPa，最小-
49.1MPa)
(c) 恒载+活载重轴在跨中横隔板处组合U肋横向正应力(最大19.6MPa，最小-
13.5MPa)
(d) 恒载+活载重轴在跨中横隔板处组合U肋纵向正应力(最大24.1MPa，最小-
19.8MPa)图5 17道中间横隔板应力结果(单位：MPa)表3 恒载+车辆重轴在支点处组合顶板应力及挠度对比
MPa中间横隔板数横向正应力纵向正应力挠度/mm最大最小最大最小最大1794.8-8328.0-19.239.515103.2-88.528.7-33.042.113145.3-96.436.6-
38.642.611165.0-109.438.7-69.642.89285.7-149.647.0-82.943.0
表4 恒载+车辆重轴在支点处组合顶板纵肋应力对比 MPa中间横隔板数横向正应力纵向正应力最大最小最大最小1716.8-10.437.8-45.71517.8-20.147-
50.71327.9-35.891-97.91140.1-38.592.9-131.9949.5-45.1158.3-159.6
4 结论
顶板和U肋下缘最大横向正应力以受拉为主,最大纵向正应力以受压为主；随横隔板数量增加，重轴施加于相邻横隔板中间或支点处，顶板和U肋下缘下缘的挠度和应力的绝对值都减小。

原设计中横隔板为17道，根据计算，采用11道横隔板能满足设计规范要求。

参考文献
【相关文献】
[1] 袁霖宇.成都市二环路高架桥特殊钢箱梁设计研究[D]. 成都: 西南交通大学,2014.
[2] 胡光伟.正交异性钢箱梁桥面第东南大学学报.2001,31(3):77-78.
[3] JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].
[4] 龚海帆．高等桥梁结构理论[M]．北京：人民交通出版社，2013.。