简支钢箱梁钢板的应力分析
摘要：本文以简支钢箱梁桥为例，根据空间板壳有限元理论对简支钢箱梁受力进行计算分析，通过对各钢板应力的分析比较，总结本桥的稳定性以及对整体结构的优化建议。
关键词： 钢箱梁 构造拟定 空间有限元分析 正交异性桥面板 应力分析
引言
随着交通工程和市政工程建设的高速发展，桥梁设计水平的提高，越来越多的桥梁采用钢箱梁形式，钢箱梁由于采用钢板材料,结构质量轻、强度高、安装运输方便简捷，且还有梁高度小，工期相对短等优点,因此大跨度桥梁、城市桥梁及人行天桥中常常用到钢箱梁。整体性能出众,外观大方,行车和行走稳定, 跨度大,施工简便,冲击性小,结构较轻,工程造价相对适中都是钢箱梁这种结构形式的优点。钢板作为一种新兴的工程材料在设计中应当充分利用,提高材料的利用率。因此,对钢箱梁的计算应进行系统的分析，通过对钢箱梁结果的分析，进行优化设计，既能保证桥梁的安全稳定性，也可以节约钢材，一举两得。钢箱梁桥的主要材质是钢板，翼缘、腹板、桥面板、横隔板等钢板的厚度和高度相比都非常小，因此钢箱梁可按封闭的薄壁结构，按照钢箱梁的结构理论进行计算分析。现在桥梁设计中是大部分是通过空间板壳有限元的计算理论，在初等梁理论的基础上进行设计的，并通过计入横向弯曲变形、纵向弯曲变形、翘曲变形、扭转等影响后，来真实的反映钢板箱梁的受力特点。本文以35m 的简支
钢箱梁为例，对钢箱梁的设计进行简单分析研究。
1 工程概况
随着经济的发展和汽车保有量的快速提高，核心区内的交通压力越来越大，早晚高峰期间各主要道路交叉口都会出现拥堵现象，降低了出行和办事效率，严重影响了城市经济政治的进一步发展和人民生活品质的提高。因此，改善城市核心城区的交通状况迫在眉睫。需要在各大相交路口架设桥梁，上部结构均采用等截面简支钢箱梁，跨径为一跨 35m，主梁采用全焊钢箱梁，桥面总宽 31m，由相互独立的左、右两幅组成，两幅之间为1米的分隔带，双向6车道，每幅梁全宽15m。其中钢箱梁部分宽10m，人行道侧悬臂3.5米，另一侧悬臂1.5米。单幅横断面图见图 1。
图 1 横断面图
2 钢箱梁构造
本工程钢箱梁横断面采用单箱三室断面，面板沿径向为1.5%横坡，桥梁中心线处梁高1.8m，底板水平，横坡通过调整腹板及横隔板高度形成。
顶板厚 14mm，顶板纵肋采用刚度较大的“U”形闭口肋，间距
550mm，板厚8mm；底板厚 14mm，底板纵肋采用T形肋，间距400mm，T形肋上缘板厚10mm，T形肋竖板厚为8mm；腹板间距 4.33m，板厚 12mm，腹板纵肋采用板式加肋，板式加劲肋厚度为14 mm；两侧悬臂部分采用 “U”形闭口肋。
横隔板共有两种形式：一种为挖空率较大的横隔板，中间留有人孔，主要起到横肋的作用，间距 2m，横隔板板厚 10mm；另一种为端横隔板，只要桥梁两端支座处设置，由于支点处横隔板需要承受较大横向荷载，支点附近横隔板厚度均适当加厚，所以端横隔板板厚 16mm。全桥钢材采用 Q345q-D 钢。为改善箱内防腐条件，钢箱梁两端支点隔板均为全封闭构造，梁端均采用薄钢板封闭。桥面铺装层厚9.5cm的改性沥青SMA混合料。
钢箱梁人行道侧悬臂根部高100cm，端部高30cm。行车道侧悬臂根部高70cm，端部高30cm。纵向每2m左右设一道悬臂梁，其位置与箱内横隔板、竖肋相对应。为保证外形美观，内部防锈，悬臂梁下翼缘之间采用薄钢板焊接封闭。
3 设计分析理论
本桥通过三体系叠加理论进行钢箱梁设计，其中桥面板是由顶板、纵向加劲肋以及横隔板三部分所组成的正交异性板。桥面板可分为三种结构体系：第一体系，是按平面杆系单元进行连续梁整体计算的主梁体系，由顶板和纵肋组成主梁的上翼缘，作为主梁截面的一部分参与主梁共同受力；第二体系，为桥面体系，由顶板、纵肋以及横隔板组合的结构，承受施加到桥面上的荷载；第三体系，为盖板体系，
支承在纵肋和横隔板上的各向同性连续板，承受车轮局部荷载，并把荷载传递给纵肋和横隔板。在实际计算中，应将三种体系下的荷载作用分别进行计算，然后进行应力叠加，但计算过程比较复杂。由于第三体系应力较小，可以忽略不计，因此将第一、第二体系进行叠加，即是全桥的结构所受的应力。因此本用用MIDAS的板壳单元，将桥面和主梁模拟成一个整体进行计算，并同时考虑第一体系的整体受力和第二体系的局部受力的耦合关系，能够比较真实的反映该桥第一体系和第二体系的实际受力情况。因此，MIDAS板壳有限元模型中所得到的应力结果即为桥面板的实际应力，而不需要对三个体系的计算结果再进行叠加计算。
4 模型的建立
本桥利用Midas Civil 2013对该桥进行模拟计算，利用板单元，将整片梁结构离散为空间板壳单元，建立全桥板壳有限元模型，模型中各钢板厚度均按实际板厚设计截面。为了能够更准确的计算钢梁受力状态，纵向单元划分时，各类隔板与顶板、底腹板相交处均进行了划分，其余位置单元长度为 2m；横向单元划分时充分考虑了支座、腹板的实际位置。边界条件按照支座实际方向模拟为点支承。空间板壳有限元模型如图 2 所示。简支钢箱梁桥荷载取值如下：主梁自重由程序自动计算；二期荷载包括防撞护栏与桥面铺装，以均布荷载计入；车道荷载为城市-A级，汽车荷载为城市-A级，双向 6 车道；汽车冲击系数μ=0.194。
图 2 空间板壳结构计算模型
5 计算结果与分析
Midas Civil板单元能够系统的计算出钢箱梁各板单元的受力情况及钢板的应力情况，在此我们仅以正常使用极限状态短期效应为例，对钢箱梁的结果进行分析。
1．顶板纵向应力分析
顶板纵向应力分布云图见图 3，从云图中可以看出顶板纵向受力大部分处于受压状态，仅在支点附近局部出现拉应力。由计算分析结果中查得，顶板最大压应力出现在跨中，为 40.6MPa；最大拉应力出现在支点位置，为 27.1MPa。由图可以看出，除了支座及跨中附近，其余位置均在30Mpa 以下。因为本桥桥面为非对称结构，翼缘部分人行道一侧大于行车道，所以人行道一侧（即图3上部的支座的压应力偏大）而行车道一侧的压应力相对较小。
图 3 顶板纵向正应力图