曲线箱梁桥横隔板的加劲作用研究

第22卷第4期合肥工业大学学报(自然科学版)V o l.22№4 1999年8月JOU RNAL O F H EFE I U N I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY A ug.1999曲线箱梁桥横隔板的加劲作用研究
韩　皓1,　李　彬2,　瞿尔仁2,　曹劲松3,　石志源3
(1.内蒙古工业大学建筑工程系,内蒙古呼和浩特　010062;　2.合肥工业大学土木建筑工程学院,安徽合肥　230009;
3.同济大学桥梁工程系,上海　200092)
摘　要:曲线箱梁桥受力比较复杂,设计中常采用设置横隔板的方法来减小截面变形和应力。

通过计算分析,得出如下结论:
一般情况下,曲线箱梁跨中只设一道横隔梁即能满足受力要求;对于大曲率、小跨径、腹板较厚的曲线箱梁桥跨中可不设横隔梁,支点横隔梁也可适当减小厚度。

关键词:曲线箱梁桥;横隔板;畸变;加劲作用
中图分类号:U448.21;U448.42 文献标识码:A 文章编码:1003250602(1999)0420052205α
Study of stiffened effecti ng of tran sverse isola ted
pla te of curve box beam br idge
HAN Hao1,　L I B i n2,　QU Er-ren2,　CAO J i n-song3,　SH I Zh i-yuan3
(1.D ep t.of A rch itecture,Po lytechnic U niversity of inner M ongo lia,Hohho t010062,Ch ina;2.Schoo l of C ivil Engineering,H efeiU ni2 versity of T echno logy,H efei230009,Ch ina;3.D ep t.of B ridge Engineering,Tongji U niverity,Shanghai200092,Ch ina)
Abstract:In the design of cu rve box beam b ridge,tran sverse iso lated p late m ethod is often u sed to re2 duce the defo rm ati on of cro ss2secti on and the stress.In th is p ap er,th rough num erical com p u ting and analysis,it is concluded that in general cases,one tran sverse iso lated p late is enough fo r loading,bu t fo r cu rve box beam sp an w ith b ig cu rvatu re,s m all sp an and th ick w eb,it is no t necessary to u se the tran sverse iso lated p late,and the th ickness of tran sverse stiffened p late at suppo rting po in t can be de2 creased to a certain ex ten t.
Key words:cu rve box beam b ridge;tran sverse stiffened p late;stiffened effecting;disto rti on
箱梁结构以其抗扭刚度大,弯曲应力图形合理,剪应力小等优点,而作为一种经济合理的断面形式在现代桥梁的理论和实践中,得到广泛研究应用[1,2]。

但由于箱梁畸变、弯扭,翘曲变形以及剪力滞的存在,箱梁的结构分析特别是曲线箱梁的结构分析变得尤为复杂,一般在设计中考虑上述因素的同时,在
α收稿日期:1998205222,修改日期:1999205210
作者简介:韩　皓(1966-),男,(蒙古族),同济大学博士生,内蒙古工业大学讲师;
瞿尔仁(1940-),男,合肥工业大学教授,硕士生导师;
石志源(1937-),男,同济大学教授,硕士生导师.
结构构造上,为抵抗箱梁截面形状变形,限制横截面形状变形和扭转共同引起的横向弯曲畸变应力和纵向正应力,改善荷载横向分布,约束截面扭曲,而设置横隔板。

但横隔板自重引起箱梁弯矩,施工也较复杂。

反之,不适当地设置内横隔板,横截面的畸变又将引起巨大的正应力。

本文在H P 2A po 11o 工作站上,用大型桥梁结构分析软件BCAD 2FEA 进行分析,得到如下结论:对一般的曲线箱梁,除支点设置端横隔梁外,在跨中设置一道横隔梁即能很好地发挥抵抗畸变的作用,故大曲率、小跨径宽腹曲线箱梁,跨中可不设横隔梁,支点横隔梁也可适当减小厚度。

1　受力分析
1.1　横梁应力分析
采用空间板壳有限元[3,4]
,划分为2080个节点、4440个单元,单元划分及横截面见图1所示。

恒载作用下,横梁的受力计算表略。

图1　板壳有限元网格划分及横截面
节点数:2080　单元数:4440
由计算结果可以看出,在荷载作用下横梁内力较小。

1.2　横粱刚度对全桥受力的影响
采用空间梁格法,单元划分见图2。

箱梁简化为梁格系的力学模型采用ham b ly 提出的折算刚度的方法[4]
:①从边腹板与中腹板中间切开,模拟纵梁抗弯刚度。

②纵梁抗扭刚度的计算,按整体箱形断面自由扭转刚度平摊到各纵梁上。

③由箱梁顶板和底板模拟虚拟横梁。

④若有横隔板则计入横隔板自身刚度于虚拟横梁中。

分析下列结构受力:A 端部和支点处设置2m 厚的横隔梁,跨中设置一道0.5m 厚的横隔梁;B 端部和支点处设置0.8m 厚的横隔梁,跨中设置一道0.5m 厚的横隔梁;C 端部和支点处都不设置横隔梁。

计算荷载为恒载和汽车—20级,计算结果表略。

3
5第4期 韩　皓等:曲线箱梁桥横隔板的加劲作用研究
随着横梁刚度的降低,恒载作用下截面竖向位移外侧增大、内侧减小,活载作用下内、外侧位移均增大。

这表明横梁刚度降低,结构扭曲变形增大。

图2　梁格模型有限元网格划分
随着横梁刚度的降低,恒载作用下,跨中截面腹板剪力减小约7%～10%,支点截面内、外侧腹板剪力减小约为1%～26.82%,中间腹板剪力增大约为12.94%;恒载作用下,跨中截面腹板弯矩减小约5%～6%,支点截面内、外侧腹板弯矩减小约11.36%,中间腹板弯矩增大约为5.98%;活载作用下,边腹板弯矩减小11%～13%,中间腹板增加10.98%;恒载作用下,支点截面内、外侧腹板扭矩减小约3%～8.3%,中间腹板增大约11.39%,活载作用下,增大约6%～15%。

表明横梁刚度降低,结构内力分布变得很不均匀。

计算表明:由于横梁刚度的减小,支点截面恒载横向最大负弯矩减小41.55%,活载最大负弯矩减小34.25%;恒载作用下端部截面外腹板处最大扭矩减小36.75%,其它截面变化很小;支点截面最大剪力减小33.75%。

可见,横梁刚度降低,横向内力减小。

2　参数分析
采用均布偏心荷载q =1,跨中横隔梁数目从3根减少到0。

不同中横隔板数目腹板底部挠度对比,如图3～图5示出部分各部位应力图。

纵向扭矩及横向弯矩计算,见表1、表2所列。

从计算分析可见:增设跨中横隔梁后,顶板、底板纵向正应力略有增大的趋势;在计算过程中还表明,增设跨中横隔板后,顶板、底板横向正应力在跨中横隔板附近局部增大;增设跨中横隔梁后,腹板中的剪应力幅度略有增大。

图3　腹板底部竖向挠度对比
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5 合肥工业大学学报(自然科学版) 1999年第22卷(4)
表1　纵向扭矩
kN ・m
恒 载
活 载
1
23123 2 A 17215289408-282440-249478-460 2 B 180********-279436-276473-460 2 C 8515487413-274436-284465-460 2 A 20679313327-235310-249379-358 2 B 21184311357-261345-276432-355 2
C
200
88
287
367
-271
353
-284
422
-380
表2　横向弯矩
kN ・m
恒 载
活 载
1
23123 2 A -389-2058-375137-16152-73075-159 2 B -427-1609-408137-16443-60241-170 2
C
-418
-1203
-391
140
-
160
34
-480
27
-158
图4　边跨跨中中面应力分布
图5　边独柱截面中面应力分布
5
5第4期 韩　皓等:曲线箱梁桥横隔板的加劲作用研究
65 合肥工业大学学报(自然科学版) 1999年第22卷(4) 3　本文分析结果与箱梁其它分析法结论的比较
日本大冢久哲用其解析法对单室钢箱梁桥的研究表明,采用较小厚度的横隔梁就能够充分约束箱形截面的变形,即使再增加板的厚度,也不会对箱梁的变形和应力有多大的影响;矩形截面箱梁和梯形截面箱梁的弹性性能并无显著差别。

日本小西、小松按弯扭理论(简称CB T法)分析结果表明,在无横隔梁的结构中,内侧施加竖向荷载(与加载截面、荷载种类无关)的变形比外侧加载时的变形大。

在有横隔梁的结构中,两者的差值与上述情况相比很小,并且出现相反的倾向,即有横隔板的情况下,与横隔板的刚度、间距无关。

K ristek教授对箱梁各种受力特性做了系统的理论分析研究,包括对箱梁横隔板应力效应分析。

但限于其研究方法是薄壁梁理论,有关横隔板的特性假定与实际情况不一定相符,其研究结论可供参考。

K ristek认为对中间设置横隔板的主要影响是减小横截面的形状变形,又影响了箱梁的纵向正应力,另一方面则表现为横向弯曲畸变应力。

他分析了具有不同参数的箱梁,从所得的结果来看,各横隔板区间各中点的纵向正应力和横向弯曲畸变,畸变应力取决于中间横隔板的数目,增加中间横隔板的数目,横向弯曲畸变应力下降,但对于纵向应力,增设支点间横隔板,有些箱体纵向正应力减小,但有时设置了跨间横隔板箱梁结构的纵向正应力比只具有支点横隔板者为大,随着增设更多的横隔板,该应力才随之减小,少量的横隔板反而损坏了它的应力状态。

4　结束语
本文在Hp2A P0LL0工作站上,运用空间板壳有限元法和空间梁格法,荷载采用:①自重;②均布偏心恒载q=1;③汽车—20级。

分别对曲率半径较小,腹板较厚、中心跨径也不大的曲线箱梁桥的空间应力进行了分析。

在箱梁支点截面、跨中截面存在着程度不同的剪力滞现象,底板的剪力滞也不容忽视,在结构设计中应予考虑。

对于预应力混凝土连续箱梁桥结构[5～8],不设跨中横隔板在施工中更为方便,分析结果说明,对于大曲率、小跨径、腹板较厚的曲线箱梁桥,不设跨中横隔板有益无害;将支点横隔板厚度从2m减为0.8 m,对结构内力影响并不显著,可见,支点横隔板厚度也可适当降低,从而减轻自重,节省投资。

这一结论虽然由典型曲梁桥得出,但对于连续箱形梁桥而言,带有一定的普遍性。

[参　考　文　献]
[1]　范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1987.
[2]　姚玲森.曲线梁[M].北京:人民交通出版社,1989.
[3]　石　洞,石志源.桥梁结构电算[M].上海:同济大学出版社,1987.
[4]　H am bly.桥梁上部结构性能[M].郭文辉译.北京:人民交通出版社,1982.
[5]　袁建兵.曲梁空间分析[D].上海:同济大学桥梁工程系,1996.
[6]　罗喜恒.预应力混凝土曲线箱梁桥空间分析[D].上海:同济大学桥梁工程系,1997.
[7]　王拥军.直曲线独柱宽箱梁桥空间分析[D].上海:同济大学桥梁工程系,1996.
[8]　李　彬.曲线梁桥结构分析及程序[D].合肥:合肥工业大学土木工程系,1997.
(责任编辑　张和平)。