崇啟大橋主橋鋼箱梁高腹板設計_孔慶凱崇啟大橋主橋鋼箱梁高腹板設計_孔慶凱66橋梁建設2總第2012年第42卷第2期(12期),V)BrideConstructionol.42,No.2,2012(TotallNo.212gy()文章編號：1003—4722201202—0066—崇啟大橋主橋鋼箱梁高腹板設計孔慶凱，許春榮，朱斌，王志誠，魏樂永()中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京100088)m六跨變截面鋼箱連續(xù)梁橋，摘要：崇啟大橋主橋采用(主橋鋼箱梁最102+4X185+102對國內、外相關標準和規(guī)范進行研究，制定高腹板結構設計高達9m。在該橋高腹板設計過程中，和驗算思路。腹板在順橋向不同區(qū)段采用4種不同的板厚，在箱梁內側保持平齊。腹板橫肋縱向間距1.加勁肋均采用丁形構造；腹板縱肋采用扁鋼構造。墩頂附近梁段靠近底板的腹板縱肋4m,與橫肋焊接，其余部位腹板縱肋在橫肋處斷開。按照規(guī)范方法對板強度、最小厚度及縱肋設置位置合理性、縱肋剛度、橫肋間距和剛度、區(qū)格局部穩(wěn)定性進行驗算，并采用ANSYS建立半橋板單元模型，對腹板強度和局部穩(wěn)定性進行校核，結果表明，腹板設計滿足規(guī)范要求。關鍵詞：連續(xù)梁橋；鋼箱梁；腹板；設計；驗算中圖分類號:U442.5文獻標志碼：ADesinofDeeWebsforSteelBoxGirdergPMainBrideofChoniBrideofggqgKONGkai,XUChun-ronZHUBin,WANGZhichenWEILeinon--g,g,Qg—yg(,,)CCCCHihwaConsultantsCo.Ltd.Beiinl00088,Chinagyjg:AbstractThemainbrideoftheChoniBrideisasixsancontinuoussteelboxirder-ggqgPgbridewithvariablesectionandwithsanarranement(l02+4Xl85+l02)mandthereatestgPgg,dethoftheboxirderofthemainbrideis9m.Inthedesinofthedeewebsfortheirderpgggpgtherovisionsintherelevantdomesticandforeinstandardsorcodeswerestudiedandthedesinpggandcheckincalculationrocedureswereformulated.Inthedifferentsectionsoftheirderinthegpg,,lonitudinaldirectionofthebridethewebsweredesinedusin4kindsofthicknessofsteelgggg,latesandinsidetheirderthewebswereketinthesamelevel.Thelonitudinalsacinofthepgpgpgtransverseribsofthewebsisl.4m.ThestiffeninribsofthewebsarealloftheTshaeribsgpandthelonitudinalribsofthewebsweremadeofflatsteel.Forthelonitudinalribsclosetotheggbottomlatesirderieroftheblocksnearbtothewereweldedwiththetransverseribspgpyp，y,artswhileforthelonitudinalribsattherestofthewebsthewerecutoffattheintersectiongpy,ofthetransverseribs.Intermsoftherovisionsinthestandardsorcodesthestrenthandmini-pg,,mumthicknessofthewebstherationalitoflocationsandriiditofthelonitudinalribstheygygsacinandriiditofthetransvereribsandthelocalstabilitoftheofthelonitudinalandridpggyyggtransverseribswerecalculated.TheelementmodelforhalfofthebridewasestablishedblategyptheANSYSandthestrenthandlocalstabilitofthewebswerechecked.Theresultsofthecal—gyculationandcheckindemonstratethatthedesinofthewebscanaccordwiththereuirementsinggqthestandardsorcodes.:;;；Kewordscontinuousbridesteelboxwebdesin；checkincalculationirderirdergggggy收稿日期：2011—12—13:作者簡介：孔慶凱，高級工程師，橋梁工程設計°E—。研究方向：kkon@lqg

王志誠，樂永王志誠，樂永671橋梁概況崇啟大橋位于長江入?？谔幙缭介L江北支，主橋采用(102+4X185+102)m的六跨變截面鋼箱連續(xù)梁橋，其跨徑和聯(lián)長均居國內同類橋型首位，橋跨布置見圖1。/主橋鋼箱梁根部梁高9.高跨比1跨0m,20.6,/高跨比1邊跨梁高3.梁中梁高4.8m,38.5,5m，高按照二次拋物線變化。主梁標準橫斷面見圖2圖1橋跨布置Fi.1SanArranementofBridegpgg說》適用范圍較廣，而且針對腹板及加勁的設計有較為全面的規(guī)定，因此，該橋腹板設計時將《道路橋示方書?同解說》作為主要參考規(guī)范之一。)《(道路橋示方書?同解說》也有一定的不2全面性，例如，關于對腹板驗算的條款中沒有考慮車輪局部荷載及支座支承力局部荷載對腹板的作用效即腹板邊緣作用的橫向短段荷載作用，而我國規(guī)應，[5]范《鋼結構設計規(guī)范》中則考慮了該作用效應，因鋼結構設計規(guī)范》也作為主要的參考規(guī)范此將《之一。()采用《鋼結構設計規(guī)范》進行結構設計驗算3時面臨一個問題:該規(guī)范主要適用于工業(yè)與民用房屋和一般構造物的鋼結構設計，除疲勞計算外，采用以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，而該橋鋼箱梁的基本設計思想還是以容許應力法來設計和驗算2高腹板設計方法的探索崇啟大橋主墩墩頂梁高達9m,遠高于常規(guī)斜拉橋、懸索橋的鋼箱梁，其高腹板穩(wěn)定問題特別突出，如何保證最高達9m的鋼梁腹板在彎矩、剪力和局部橫向集中力共同作用下不失穩(wěn)，是崇啟大橋鋼箱由于我國現(xiàn)行《公路橋涵鋼結構及木結構設計[1]規(guī)范》制定較早，對于腹板強度和穩(wěn)定性的設計規(guī)圖2主梁標準橫斷面Fi.2TicalCrossSectionsofMainGirdergyp構件。對于橋梁結構而言，活載及其他可變荷載所占荷載比重較大，因此在《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》第1.是以2.5條中給定材料容許應力時，材料屈服強度為依據，除以綜合安全系數(shù)k得到，其中汽車超載系數(shù)按1?鋼結構設計規(guī)范》4考慮。而《的構件強度設計值則未考慮超載系數(shù)一項。以，板厚1通過對比發(fā)現(xiàn)，Q345鋼材為例(6?35mm)《鋼結構設計規(guī)范》給出的抗拉、抗壓和抗彎強度設，，計值f=2抗剪強度設計值f95MPa170MPav=《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》給出的彎曲應，，剪應力容許值t=1力容許值o=210MPa20MPa兩個規(guī)范之間相應應力的比值為1.405和1.417，與汽車超載系數(shù)基本一致。因此，在崇啟大橋鋼箱梁及高腹板設計時提出，可以采用《鋼結構設計規(guī)范》的相關條款對構造進行驗算，但將該規(guī)范的強度設計值取值為《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》定相對簡單，且適用范圍有限，不能滿足該橋高腹板設計及驗算的要求，為此在該橋鋼箱梁設計過程中，］］)，基于國內、外相關標準和規(guī)范(文獻［對高26?】腹板設計方法進行了深入的探索。經過分析，取得了以下認識：()《道路橋示方書?同解說》與我國現(xiàn)行《公1路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》均采用容許應力《法進行鋼結構設計和驗算，道路橋示方書?同解68的容許應力值。橋梁建設BrideConstructiong()2012，422綜上，崇啟大橋鋼箱梁及高腹板設計時將我國《鋼結構設計規(guī)范》和日本《道路橋示方書?同解說》作為設計和驗算的重要規(guī)范依據。3腹板結構設計和驗算思路該橋腹板最高為9m，腹板高厚比大，在設置足7]。夠橫向加勁板的同時，必須設置更多段的縱肋】該橋腹板設計主要有以下特點：腹板高度為3.5?9不同梁高腹板加勁肋的配置數(shù)量和位置不同；主m,梁順橋向不同位置剪力、彎矩、局部豎向力(橫向短段荷載)變化較為復雜；腹板受力既要考慮成橋運營階段，又要考慮制造、運輸、安裝等不同施工階段;不同位置的腹板設計安全考核系數(shù)應當較為接近，以使全橋腹板的安全度較為均勻、鋼材用量趨于合理經濟。該橋高腹板的板厚和加勁肋設計復雜，設計和驗算工作主要按以下思路開展：()參照《鋼結構設計規(guī)范》14.1.2?4.1.4條，對腹板強度進行初步驗算，從而初步確定各梁段的腹板厚度。)結合主梁頂、(底板橫肋位置設置腹板橫肋。2該橋頂、底板橫肋標準間距為2.腹板的橫肋在8m,此基礎上加密1倍，即間距為1?4m。()初步選取各梁段腹板縱肋的段數(shù)。3()參照《道路橋示方書?同解說》410?4.2條，合理化設計腹板每段縱肋的豎向位置。()腹板厚度及加勁肋的位置初步確定后，根5據《鋼結構設計規(guī)范》和《道路橋示方書?同解說》對并根據驗算結腹板及加勁肋的各項指標進行驗算，果調整相關設計構造尺寸，直至各項驗算指標滿足規(guī)范要求并趨于合理。()利用有限元軟件建立全橋或局部梁段板單6對不利荷載作用下的腹板結構強度和穩(wěn)定元模型，性進行校核計算。4腹板結構構造設計腹板在順橋向不同區(qū)段采用16,20,24,28mm腹板在箱梁內側保持平齊。腹板4種不同的板厚，橫肋的縱向間距為1.分為2種，一種為接頂板4m,)],與底板加勁的橫肋[圖3(一種為在頂、底板橫a],肋之間設置的獨立橫肋[圖3(加勁肋均采用丁6形構造。腹板縱肋采用扁鋼構造，腹板縱肋總體布置見圖4。墩頂附近梁段靠近底板的腹板縱肋與橫)；見圖5(其余部位腹板縱肋在橫肋處斷肋焊接，a圖3腹板橫肋Fi.3TransverseRibsofWeb()。開，見圖5b5腹板結構設計驗算5.1腹板強度驗算參照《鋼結構設計規(guī)范》4?1.2?4.1.4條對腹板強度進行驗算。首先分別驗算截面抗剪強度、腹板橫向局部承壓強度、抗彎強度:t=t]W[Itwoo]c=W[tlzw其中偏不利地考慮按照4傳力，取l5°a+2hz=y°+。畸變W[o]In鋼結構設計規(guī)范》4?1.2?各參數(shù)的含義參見《o=k剪力滯系數(shù)4.1.4條。正應力。在第一體系彎矩產生的正應力基礎上，還應考慮剪力滯效應和約束扭轉翹曲產生的畸變正應力。該橋鋼箱梁支點處剪力滯系數(shù)為口畸變正應力約為容許應力的0.1?148,4%?[]0.5%9。[、[按照《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)t]。]范》的規(guī)定取值。在對各分項進行驗算后，還應根據《鋼結構設計規(guī)范》4.1.4條對折算應力進行驗算：[1+oootW1.o]c—c+3支點處腹板下緣最不利的折在最不利組合下，王志誠，樂永69,。算應力為1小于規(guī)范限值257.9MPa31MPa5.2腹板最小厚度及縱肋設置位置合理性驗算參照《道路橋示方書?同解說》對腹10.4.2條，板的最小板厚進行驗算。當腹板上有n根縱肋時，在高度方向將腹板劃分為n+1個區(qū)格,對于每一個單獨的區(qū)格對應的最小腹板厚度要分別滿足以下方程的要求：[10]10]“數(shù)[對應于豎ki為相對于剪應力的屈曲系數(shù)t向每個區(qū)格，都求出一個最小腹板厚度t實際所采＞用的腹板厚度應大于ti中的最大者。當所有求得的t可以認為腹板縱肋的設置位i之間相差不大時，置最為合理。該橋在腹板縱肋豎向位置設計基于以最終確定了縱肋上原則進行了若干次優(yōu)化調整后，的布置位置見圖4。5.3腹板縱肋剛度驗算()道路橋示方書?同解說》條，驗參照《10.4.71算腹板縱肋的剛度?？v肋對腹板的截面慣性矩：3reu^vqlltlNbltnlNbnl++Blclll+2()425Rl4kol3—l4kol3nl+4konl+))}2l+klT2()()lnoBnlcnl++l+2425Rnl+4konl+))}+nl+()knl+T3n其中：l?25+(0?3+0?l5e—4?25；uNl?B=W)(ci+l)；；i=i=Pn[,]()maxooocici+leiR0?9—0?lk23.9；i=i；i=op2bi.34+4N1baiki=T2i?34+4V1bai以上各式參數(shù)意義如下：uBl為安全系數(shù)臨界式中，?rt為腹板厚；b為腹板總寬；yeuq為必要剛度))為橫肋間距。比，?r30,aYeuq=b5.4腹板橫肋間距驗算腹板橫肋設置的主要目的是防止腹板剪切失穩(wěn)，在同時設置縱肋情況下，靠受拉翼緣側的區(qū)格高度最大，較易出現(xiàn)剪切失穩(wěn)，因此一般通過驗算該區(qū)格的穩(wěn)定來確定橫肋間距的最大值。該橋參照《道路橋示方書?同解說》10.4.3條對橫肋間距進行了參考性驗算。該規(guī)范給出了最多2條縱肋情況下橫肋間距的驗算方法，對設置2段以上縱肋的腹板，其值；tba為橫肋間距；。i為腹板厚；i為區(qū)格高度；ei為應力以壓為正；腹板中的縱向應力，1為腹板單元中產生的剪應力;Ri為寬厚比系數(shù)；i為腹板板件區(qū)W格上、下緣的應力比；下緣i為腹板板件剪力和上、n較大應力的比值；ki為相對于軸向應力的屈曲系。70橋梁建設BrideConstructiong()2012,422驗算結果可作為設計參考。對于橫肋間距的驗算主要還是采用區(qū)格驗算方法以及有限元軟件分析方法。5.5腹板橫肋剛度驗算道路橋示方書?同解說》驗算參照《10.4.4條，腹板橫肋的剛度。橫肋對腹板的截面慣性矩：3【?reuNuqll。式中，?r8yeuq=b5.6腹板區(qū)格局部穩(wěn)定性驗算腹板板塊承受縱向彎曲應力、橫向應力、剪應力滿足規(guī)范要求。1,5.6.2受拉翼緣與縱肋之間的區(qū)格此類區(qū)格驗算應滿足下式:2c2++W1,Tcr2oocr2ccr2式中各參數(shù)的定義和計算方法見《鋼結構設計規(guī)))，范》該橋驗算時同樣將《鋼結構設計規(guī)范》所采用的公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》中設計應力以《的容許應力替代。以支點處鋼箱梁根部為例，該位置腹板共劃分為6個區(qū)格，最上面1個區(qū)格為區(qū)格上緣受拉，區(qū)格經驗算，在最不利工況下，其區(qū)格穩(wěn)定檢下緣受壓，驗系數(shù)為0.小于1，滿足規(guī)范要求。519，6有限元分析6.1強度驗算采用有限元軟件ANSYS建立半橋板單元模用S型，hell63單元模擬鋼箱梁各板件、Link8單元模擬桁架式橫隔板，Beam44單元模擬對稱的另一半橋，Beam44單元與板單元節(jié)點在連接處剛接。全橋整體計算有限元模型見圖6。以此模型為基礎，施加于腹板較不利的荷載工況，對按照規(guī)范方法所驗算的腹板強度進行校核。結果表明，腹板強度滿足規(guī)范要求。)的屈曲交叉影響，該橋參照《鋼結構設計規(guī)范》4.3?4條，對腹板各區(qū)格進行局部穩(wěn)定性的驗算。5.6.1受壓翼緣與縱肋間及受壓縱肋間的區(qū)格《鋼結構設計規(guī)范》只給出了受壓翼緣與縱肋之間的區(qū)格的驗算方法，對受壓縱肋之間的區(qū)格驗算第9.腹板則沒有明確規(guī)定。而在文獻[2]11.4條“板塊屈曲”中提出：所有內側的腹板板塊（即不與翼，都可按在面內有約束處理”也就是說，受緣毗連者）壓縱肋之間的區(qū)格也可以按照受壓翼緣與縱肋之間的區(qū)格的驗算方法進行穩(wěn)定性驗算，將受壓應力較大的縱肋視作受壓翼緣即可。此類區(qū)格驗算應滿足下式:c++W1,Tcr1ooccr1cr1式中各參數(shù)的含義和計算方法見《鋼結構設計規(guī)))6.2局部穩(wěn)定驗算在參照規(guī)范進行穩(wěn)定性分析之后,采用AN一對較不利位置腹板分SYS建立板單元有限元模型，別進行分析，對參照規(guī)范方法所驗算的腹板局部穩(wěn)定性進行校核。對墩頂支座部位腹板局部穩(wěn)定的分析結果見圖7,腹板1階失穩(wěn)模態(tài)屈曲系數(shù)為9.8＞滿足規(guī)范要求。4,7結語崇啟大橋于2011年2月完成全部上部結構架，范》該橋驗算時將《鋼結構設計規(guī)范》所采用的設計公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》中的容應力以《許應力替代。以支點處鋼箱梁根部為例，該位置腹板共劃分為6個區(qū)格，下面5個區(qū)格均為全壓區(qū)格，經驗算，在最不利工況下，全壓區(qū)格穩(wěn)定檢驗系數(shù)自下而上分別為0?均小于687、0.614、0.526、0.427^0.352,圖6全橋整體計算有限元模型Fi.6FiniteElementModelforCalculationofWholeBridegg崇啟大橋主橋鋼箱梁高腹板設計孔慶凱，許春榮，朱斌，王志誠，魏樂永71設，施工過程進展順利。2011年12月24日通車，該橋主橋上部結構的成功設計、施工為國內大跨度鋼箱連續(xù)梁建設做了一定的初步探索和技術儲備，為國內大跨鋼箱連續(xù)梁在海灣地區(qū)及運輸條件較佳的地區(qū)廣泛應用起到了推廣作用。公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》我國現(xiàn)行《制定較早，不能滿足該橋高腹板及加勁肋設計和驗算的要求，該橋在高腹板設計過程中所做的一些探可供索和研究及詳細實用的構造設計和驗算方法，圖7支點處腹板1階失穩(wěn)模態(tài)Fi.7TheFirstOrderInstabilitModeofWebatSuortgypp國內其他同類鋼箱梁橋設計參考。崇啟大橋建成實景見圖8。圖8崇啟大橋建成實景Fi.8ComletedBrideofChoniBridegpggqg□［上冊）人民交通出版7M］.北京：吳沖.現(xiàn)代鋼橋（）:參考文獻（References口］公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范［1TJ025—86,S.J（JTJ02586,SecificationsforDesinofSteelStruc——pgtureandTimberStructureHihwaBridesandCul—gyg［］）vertsS.口,C2S54003：2000,SteeloncreteandComositeBriB——p0?s6mooz—ZIOOgag〕援累44^冥源靖s?ss①PIJPQIX4S“Z4JBS①Jn+-?onJ+-?s〔〕CI——ImIa)CD+->s?4-lou?1—lsCDQ——SCDPOOOJnM6900Z“ZO066INMS寸口〕2E??SOQ〔〔〕E?sSQP*!—lJrn口IXASJOU*!—ISQQJOJCD。lAOBJdJOQPOOEAJBSQpd——iqou二①PQ.〔wsQPIJpqItDQASUJQpo君?uoqoQM“〕)?900Z6*184Jo?s①p:pqBMIIBH(〔〕sIoJnAonJASIQCDASUou」s①QJOJ①poogoox-Z000IPQH6)H?s3OOZ—Z?ZOOOIpq9〕摞累右愚腕幕噩齦〔〔〕?s(〔〕mIs<DJn4onJ4SIa)a)-l-->SJOUISoQJOJopoooOOZZIOOgHDog)ggjg,)naCommunicationsPress2OO6.inChinese][王志誠，朱斌，等.崇啟大橋主橋上部結構8許春榮，//2設計[C]O11年全國橋梁學術會議論文集.北京：人民交通出版社，2011：57—66?(,WANG,,XUChunronZhichenZHUBinetal.——ggTheDesinofuerstructureofainridefSM