整体式钢箱梁桥的设计要点及流程
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整体式钢箱梁桥的设计要点及流程
摘要:本文介绍了整体式钢箱梁的详细构造,并通过工程实例对整体式钢箱梁
的传力途径、纵向计算、横向计算、支承加劲肋计算以及构造细节等事项进行了
阐述。最后总结了整体式钢箱梁构件的计算内容及确定方法。
关键词:钢箱梁桥;构造;设计;计算。
一、整体式钢箱梁的构造
1、总体布置
整体式钢箱梁是由底板、腹板、顶板、横隔板和横肋等构件以焊接方式连接
而成,并形成单箱单室或单箱多室的整体式断面形式。
整体式钢箱梁的底板和顶板由横隔板及腹板、横肋等构件联结成整体受力体系。钢箱梁的顶板通常与桥面横坡平行,底板则可与顶板平行或水平向布置。整
体式钢箱梁断面示意图如下:
图1 整体式钢箱梁断面示意图
2、底板和顶板的构造形式
整体式钢箱梁底板和顶板由底部和顶部面板与纵向加劲肋组成,纵向加劲肋
的作用是防止在纵向弯曲压应力作用下钢板局部失稳。钢箱梁顶板设置纵向加劲
肋后,单桥面板成为正交异形板,桥面板抵抗能力大幅增强,使竖向荷载通过桥
面板传递到腹板和横隔板上。
纵向加劲肋的主要形式有开口加劲肋与闭口加劲肋两种,两者的区别如下:由表1可知,顶板的纵向加劲肋主要用闭口加劲肋,但顶板翼缘处非车行道
部分处的加劲肋也可采用开口加劲肋。底板的纵向加劲肋主要用开口加劲肋。一
般的闭口加劲肋采用U肋,间距一般为600mm左右,开口加劲肋采用平钢板或
倒T形截面,间距一般为350mm左右。
3、腹板构造形式
整体式钢箱梁的腹板一般为直腹板和斜腹板两种形式。单箱多室截面钢箱梁中,外侧腹板一般为直腹板或斜腹板形式,腹板与顶板、底板共同组成单箱截面,箱梁内部仓室间多采用直腹板形式。
弯矩和剪力的共同作用下使得腹板产生弯曲应力和剪应力,腹板在过大的弯
曲压应力作用下会发生弯曲失稳,需在腹板上设置纵向加劲肋,纵向加劲肋一般
采用I肋形式,在腹板受压区范围内设置。腹板在过大的剪应力作用下会发生剪
切失稳,需在腹板上设置竖向加劲肋(横肋),竖向加劲肋一般可采用平钢板截
面或倒T形截面,横肋纵向间距一般3m左右,腹板纵向加劲一般纵向保持连续,在遇到横隔板与横肋处,开过焊孔通过。
表1 纵向加劲肋的主要形式
4、横隔板构造形式
钢箱梁桥承受荷载作用时,轮载直接作用于箱梁的顶板处,由于活载的偏心
加载作用使箱形截面发生畸变而产生了横向弯曲变形,为了减少横向弯曲变形和
局部应力过大,需增加截面的整体刚度,通过在箱梁的支点和跨间设置横隔板的
措施来提高截面的整体刚度。
横隔板一般全桥纵向均匀布置,支点处横隔板还承受支反力产生的局部荷载,因此必须加强。
4.1中间横隔板形式
中间横隔板被腹板断开,每个箱室一块隔板,与顶底板及腹板焊接。横隔板
纵向间距一般3~4m左右,与腹板竖向加劲肋交替布置。每块横隔板中间都设有进人孔,进人孔的孔口边缘设有加劲板,宽度一般100~200mm左右。
4.2支点横隔板形式
支点处的横隔板钢板厚度比中间横隔板钢板厚度要厚,具体厚度及支座横隔
板数量由计算确定,一般1~3块,间距0~1000mm左右。支点横隔板横向在两
块边腹板之间连续,将中间直腹板断开并焊接在支点横隔板上。支点横隔板与顶、底板共同组成支点横梁,上、下缘有效分布宽度由《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015计算确定。支点横隔板上可不设进人孔,但须设置水平加劲肋及竖
向加劲肋以防止弯曲失稳与剪切失稳。
5、悬臂翼缘构造
悬臂翼缘顶板处设置纵向加劲肋,在悬臂最外侧横向约1m宽度范围内,加
劲肋形式多为平钢板截面(不受汽车活载),其它宽度范围内,加劲肋多为倒T
形截面或U肋。翼缘横隔板与主梁横隔板
及腹板竖向加劲肋对应设置,翼缘板厚度与主梁横隔板相同或略厚,同时亦
满足设计受力要求,翼缘板下缘需设置加劲板,宽度200~300mm左右。
二、工程实例
桥梁上部结构采用整体式连续钢箱梁结构,跨径布置为(38+51+38m)。钢箱梁
为等高截面,裸梁高度2.4m,本桥双幅布置,其中单幅桥面标准宽度13m,净宽12.74m。采用单箱双室截面,箱梁顶板厚度取16mm,底板及腹板厚度采用
14mm,横隔板的纵向布置间距为3m,腹板竖向加劲肋(横肋)纵向布置间距为
3m,横隔板和横肋纵向交错布置。顶板纵肋采用U肋及I肋,U肋间距550mm,I肋仅用于翼缘板外边缘;腹板纵向加劲板为I肋;底板加劲板为I肋,间距
380mm。钢材材质为Q345qE。标准截面处箱梁横向设双支座,支座中心距3.8m。
桥面铺装层采用8cmC50钢纤维混凝土,5cm SBS改性沥青混凝土AC-16C及
4cm SBS改性沥青马蹄脂碎石混合料SMA-13(掺0.25%聚酯纤维),桥面铺装层
总厚度为17cm。
钢箱梁断面图如下:
图2 中间横隔板断面示意图
图3 腹板竖向加劲肋断面示意图
图4 支点横隔板断面示意图
钢箱梁顶平面布置图如下:
图5 1/2钢箱梁平面布置图
结构传力路径:桥面板→纵肋→横隔板→腹板→支点横梁→支座。
三、结构计算
1、钢箱梁的纵向计算
1.1主梁体系(第一体系应力)
连续钢箱梁桥,正弯矩跨中处最大,负弯矩支点处最大。桥梁计算可通过单
梁模型,得出钢箱梁翼缘处的最大拉、压应力。
1.2桥面体系(第二体系应力)
车轮荷载作用由桥面系直接承受,桥面系上的荷载传递到横隔板。将纵肋及
桥面板简化为纵梁,支撑于横隔板上,计算纵梁在荷载作用下的应力;纵肋穿过
横隔板保持连续,所以纵肋具有连续梁的特性。本工程中,横隔板纵向间距3m,将纵肋及桥面板组成的纵梁按跨度等于3m的简支梁计算可得到简化纵梁最大压
应力;将纵肋及桥面板组成的纵梁当做多跨度3m的连续梁计算可得到简化纵梁
的最大拉应力。
顶板加劲肋有U肋和I肋,分别计算两者并取应力值最大者。受压翼缘宽度
可按《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015取值,U肋可以将两腹板合在一起,可简化为如下截面形式。
图6 I肋截面图7 U肋截面
顶板既受第一体系应力,又受第二体系应力,因此顶面总应力应将两者的最
大应力对应叠加(拉+拉,压+压);底板仅受第一体系应力,所以纵向单梁模型
中的应力即为底板的实际应力。
应力叠加过程如下表所示。
表2 纵向正应力计算结果
根据纵向正应力计算结果,可判断梁高、顶、底板厚度是否合适,根据纵向
剪应力结果,可判断腹板厚度及腹板个数是否合适。
2、钢箱梁横向计算
1.1中间横隔板计算
中间位置横隔板横向受弯,可简化为简支于腹板间的简支梁,截面可简化为
为工字型截面,顶底板宽度按《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015确定。
注意车辆荷载要按最不利位置加载。
图8 横隔板加载示意
图9 横隔板计算断面
图中,q1+q2为自重荷载+二期恒载,p1为车辆荷载的车轮作用点。
根据正应力大小可判断横隔板间距是否合适(横隔板的间距影响顶、底板有
效宽度);根据剪应力大小可判断横隔板厚度是否合适。
1.2支承横隔板计算
支承横隔板主要承受腹板传递的集中力,支承横隔板横向受弯,简化为简支
于支座处的简支梁进行计算。本工程支承横隔板为单根横隔板组成,因此计算截
面可简化为工字型截面。集中力大小为支点处腹板所受的剪力值。
图10 支承横隔板加载示意
图11 支点横梁计算断面
根据支点横梁正应力大小可判断横梁腹板(即横隔板)间距、顶底板厚度是
否合适(在支点处顶底板会加厚),根据支点横梁剪应力可判断横梁腹板厚度及
横梁腹板个数是否合适。
1.3钢箱梁悬臂翼缘计算
计算弯曲应力时,悬臂翼缘可简化为一端固结一端自由的悬臂梁,,截面取
工字型截面,顶板按《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015计算其有效宽度。