钢箱梁桥面板第二体系挠度及应力的计算分析

钢箱梁桥面板第二体系挠度及应力的计

算分析

摘要：钢桥面板作为正交异性桥面板，不仅直接承受车轮荷载作用，而且作

为主梁的一部分参与主梁共同受力，其力学行为十分复杂。本文以某钢箱梁第二

体系为研究对象，采用Midas-FEA NX实体仿真有限元软件建模，分别对比I截

面加劲肋、梯形截面（U肋）加劲肋在不同加载位置时，钢箱梁桥面板第二体系

应力及相对挠度的大小，从而得出钢箱梁桥面板第二体系计算中最不利的加载位置，为类似设计、计算提供参考。

关键词：钢箱梁第二体系应力正交异性桥面板

0前言

钢箱梁桥具有抗拉强度高、弹性模量高、材料利用率高、自重小、跨越能力强、施工工期短；工厂制作、现场安装质量可以保证；韧性、延性好，抗震性能好；材料能耗低、污染少，且可回收利用；钢桥整体受力性能好，拆除方便，对

变宽、小半径桥梁适应能力强，在国内外工程中被广泛使用。钢箱梁桥面板计算

分析方法有两种。一种是整体计算法，该方法采用有限元软件把所有结构建立出来，此方法比较接近实际受力，但建模过于复杂，对计算机要求较高，分析耗时

较长，对于跨度大、桥梁宽、结构复杂的桥梁甚至达不到计算的程度。另一种是

叠加计算法，此方法是将钢箱梁三个结构体系分别进行计算，然后叠加近似求出

结果。钢箱梁各部件之间的传力比较明确，采用叠加计算法比较经济、快捷，本

项目采用叠加计算法。

桥面板纵向加劲肋有I、L、T、梯形截面（U肋）、V、U等截面形状，L形

截面、T形截面、U形截面工厂焊接量大，工地连接比较困难，V形截面受力较差，很少使用。本文选用常用的I形截面和梯形截面（U肋）加劲板分别计算分析在

不同加载位置时，钢桥面板在第二体系计算中最不利加载位置，为类似设计提供参考。

1桥梁概况

某高速公路钢箱梁桥跨径为44+80+50m，平面位于圆曲线上。桥梁按左右双幅布置，桥梁全宽度为25.2m，单幅桥宽为12.25m。本桥采用双向六车道，桥梁设计荷载采用公路-Ⅰ级。桥面铺装为10cm厚改性沥青混凝土，调平层为10cm 厚C50钢纤维防水混凝土，钢箱梁采用Q345qD钢材。

钢箱梁横断面采用单箱双室等截面直腹板断面，箱梁标准梁高为3.2m，箱梁顶板宽12.25m，底板宽6.85m，两侧翼缘板各宽2.75m。顶板厚度为16～24mm；底板厚度为14～30mm；腹板厚度为16～20mm。箱梁纵向每隔3m设置一道实腹式横隔板，两道实腹式横隔板之间设置横向框架加劲板。钢箱梁I形加劲肋标准横断面如图1所示，加劲肋间距为300mm板厚采用16mm。梯形截面（U肋）加劲肋标准横断面如图2所示，加劲肋间距为600mm板厚采用8mm。

图 1钢箱梁I形截面加劲肋标准横断面

图 2钢箱梁梯形截面（U肋）加劲肋标准横断面

2计算模型

第一体系采用Midas Civil单梁模型，荷载包括自重、压重、二期、车道荷载、沉降、整体升降温等。经过计算钢箱梁顶缘最大应力在跨中，应力大小为167.2MPa。

第二体系采用Midas-FEA NX实体仿真有限元软件建立钢箱梁局部模型，横桥向为单幅全宽12.25m，顺桥向选取6m，包含3道实腹式横隔板，2道横向框架加劲板。第二体系由纵向加劲肋肋、横肋（横隔板、横向框架板）和顶板组成的体系，顶板被看成纵向加劲肋、横肋共同上翼缘。该体系支承在主梁和横梁上，它把桥面板上的恒载和外力传递到主梁和刚度较大横梁上。因为第一体系与第二体系是叠加关系，第二体系仅需考虑轮载对桥面系的作用。

本次计算采用公路桥梁-Ⅰ级汽车荷载，并且考虑铺装层的扩散范围，荷载冲击系数按规范取0.4，车轮荷载指标见表1。边界条件为腹板与底板相交位置铰接，根据不同类型加劲板及不同加载位置共计分成8个工况，具体加载位置见表2，横向加载位置如图3～图5所示（梯形截面加载位置与I形截面相同）。

表1车轮技术指标

表2工况加载说明

注：工况1、工况8加载位置选择是结果不受加劲肋的影响。

图 3工况1、3、5、7车轮横断面位置

图 4工况2、6车轮横断面位置

图 5工况4、8车轮横断面位置

按照表2加载方式，建立第二体系局部模型如图6所示。

图 6钢箱梁第二体系局部模型

4第二体系计算结果

经过计算，不同工况下桥面系的有效应力如图7～图10所示，应力值大小如表3所示。

图 7工况1、3桥面板有效应力

图 8工况2、4桥面板有效应力

图 9工况5、7桥面板有效应力

图 10工况6、8桥面板有效应力表3不同工况下最大应力

注：表中应力未计入0.4的汽车冲击系数。

从上述图表中可知，I形截面加劲肋在不同工况下最大应力对比：工况1＞

工况4＞工况2＞工况3，工况4、工况2、工况3相对工况1分别减少百分比为：1.6%、14.2%、57.1%；梯形截面（U肋）加劲肋在不同工况下最大应力对比：工

况5＞工况8＞工况6＞工况7，工况8、工况6、工况7相对工况5分别减少百

分比为：1.6%、2.5%、32.2%。，I形截面加劲肋在不同工况下顶板相对加劲肋或

腹板最大挠度对比：工况2＞工况4＞工况1＞工况3，梯形截面（U肋）加劲肋

在不同工况下顶板相对加劲肋或腹板最大挠度对比：工况6＞工况8＞工况5＞工

况7。相同加载位置时，梯形截面（U肋）加劲肋应力及相对挠度均小于I形截

面加劲肋应力及相对挠度。

顶板相对加劲板或腹板最大挠度为0.235mm＜300/700=0.43mm满足规范要求。

根据表3可知第二体系顶板最大应力为37.39MPa，并未计入0.4汽车冲击系数。第一体系与第二体系叠加后，钢箱梁顶板应力为：第一体系应力+第二体系

应力+0.4冲击系数×第二体系应力=167.2MPa+37.39+0.4×37.39=219.5MPa＜

270MPa，两种形式加劲板的叠加应力均满足规范要求。

5结论