鋼箱梁橋的設計方法研究

李志宇

摘要 文章旨在研究鋼箱梁的設計方法，文中結合其力學特征對鋼箱梁各主要構成板件的受力特點及構造進行分析，并詳細介紹了兩種常用的設計方法，其中體系疊加設計方法在常規鋼箱梁設計項目中更為實用。通過結合工程案例對體系疊加設計方法作了補充介紹，最后針對幾種特殊情況提出實用建議，可為類似工程提供參考。

關鍵詞 鋼箱梁；體系疊加；應力；有限元

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0069-03

0 引言

鋼箱梁相比傳統混凝土箱形截面，除了具有優良的抗彎、抗扭能力，同時還有傳統鋼筋混凝土結構不具備的自重輕、跨度大、安裝工藝簡單等優點，在城市橋梁建設中表現出色，廣泛應用于城市地區的各類跨線立交、橋梁改造等工程中。鋼箱梁的設計方法直接影響結構的可靠程度，更直接影響工程經濟性和施工便捷性。因此，對鋼箱梁設計方法的深入研究顯得更為重要[1]。通過對鋼箱梁案例的構造設計及力學性能進行分析，可為類似工程中的鋼箱梁設計提供更多的參考。

1 鋼箱梁的設計方法

1.1 鋼箱梁受力特點

鋼箱梁屬于典型的薄壁結構，完整的鋼箱梁一般包括頂板系統、隔板系統、腹板系統等主要的傳力構件。其結構受力遵循了最短路徑的規律，在整個鋼箱梁的受力體系中，力會優先沿著剛度大的路徑傳遞。按其傳力路徑，常規的鋼箱梁設計中，將其主要分為三種傳力體系：第一體系為主梁傳力體系，由縱橋向腹板直接傳遞至各支座橫梁，該路徑受力明確，路徑單一，是鋼箱梁板式構件應力分析的主要控制路徑。第二體系由頂板、頂板加勁肋及橫隔板組成，傳力路徑為頂板縱向加勁肋傳至跨間橫隔板，該體系主要為橋面體系的局部受力，也是應力分析中的主要部分。第三體系為橫向通過頂板傳遞至頂板縱向加勁肋，該體系為蓋板體系[2]，可理解為縱向加勁及橫隔板作為橋面板的支承，橋面板直接承受了車輪的局部作用，并把荷載傳遞至縱向加勁及橫隔板。一般情況下，鋼箱梁的應力分析，應是三體系的疊加，但實際工程應用中，第三體系計算得到的應力往往較小，可忽略不計，故常規情況下，更多的是直接考慮第一體系及第二體系的疊加。

1.2 鋼箱梁常用的設計方法

鋼箱梁確定總體設計方案后，需根據其受力特點進行分析計算，驗證方案的合理性，鋼箱梁常用的設計方法，主要有兩種：

（1）整體分析：該方法一般采用邁達斯等三維有限元軟件建立整體的板殼單元模型，模型需要準確模擬包括頂板、隔板、腹板等在內的主要傳力構件，然后在橋面系統添加輪載作用，通過軟件對活載的最不利工況進行分析，得到最終的各板件的應力分布，再根據應力情況復核板件的厚度及尺寸。該方法同時考慮了主梁的縱向傳力體系及橋面體系的局部受力，無需再考慮三體系疊加的設計思路。但鋼箱梁橋的板件眾多，該方法用時長，建模流程過于煩瑣，且模型調整存在困難，一旦方案發生變化，需要投入大量的人力在模型調整中，不適用于常規橋梁設計。

（2）疊加計算：該方法一般為縱向桿系單元（第一體系）+橋面體系的局部分析（第二體系）。常規鋼箱梁的縱向桿系單元一般簡化為單梁模型，忽略了橋面體系的局部傳力效應，故需額外考慮第二體系，分析第二體系通常采用的方法，主要有簡化單梁法、等效格子梁法及局部板殼單元法等。疊加計算方法對方案的調整適應能力高，建模分析用時短，效率高，廣泛應用于常規鋼箱梁橋設計中。

2 鋼箱梁設計

2.1 鋼箱梁總體設計

在進行鋼箱梁設計時，首先需要根據項目的場地建設條件、運輸條件等確定鋼箱梁的布置方案，確定合理的布置跨徑，并根據跨徑及經濟性分析確定立面梁高。然后根據總體橫斷面布置方案，結合車輪作用位置、場地運輸條件及安裝條件等確定箱室的劃分原則。再根據箱室寬度、箱室高度及加勁肋類型確定隔板類型及間距。最終根據第一體系、第二體系的分析，確定主要板件的厚度及尺寸。

2.2 頂、底板及腹板設計

頂、底板及腹板，是第一體系的主要傳力構件，但頂板還承擔了車輪的直接作用，第二體系效應顯著，所以頂板系統的整體強度和局部穩定是設計重點。頂板系統主要由頂板、頂板縱向加勁肋組成，頂板的厚度除應滿足國內鋼結構橋梁設計規范對于正交異性鋼橋面板的最小板厚要求外，還應結合頂板系統的抗疲勞性能適當增加板厚，以增強橋面系統的整體強度。為保證鋼橋面板的局部剛度，還需要設置密集的縱向加勁肋，作為橋面系統強度的補充并同時增強橋面板的局部穩定能力。

鋼箱梁腹板主要承擔抗剪作用，但該板件通常因其高厚比過大而導致穩定性差，這個時候需要設置橫向加勁肋以增強腹板的穩定性能，橫向加勁肋設置時，需結合主梁的彎矩情況，設置在腹板的受壓側。為簡化設計，在一些常規的鋼箱梁橋設計中也會選擇橫向加勁肋及縱向加勁肋結合的方式，且橫向加勁肋在腹板的上下緣均有布置。

底板相對頂板受力較為簡單，第一體系的應力一般情況下可直接反映底板的真實受力，但在連續鋼箱梁橋中，底板也存在正負彎矩交替的情況，對于支點處的底板需做局部加強。根據受力情況，確定底板厚度及底板加勁肋的布置，以滿足底板的強度及局部穩定要求。

2.3 橫隔板設計

橫隔板系統主要包括支點橫隔板、跨間橫隔板及橫向加勁板，其作用主要為加強箱形截面的橫向穩定，有效增強截面抗扭能力，其中，支點橫隔板是主梁第一體系傳力的重要路徑支承，跨間橫隔板是頂板第二體系傳力的重要路徑支承，橫隔板系統在一些多箱結構中也承擔了荷載分配的作用。

支點橫隔板直接承受主梁傳遞的荷載作用，再橫向傳遞至支座，在設計中，可考慮簡化為桿系構件，傳遞的荷載作用可簡化為豎向力，作用位置為各腹板位置。支點橫隔板一般由多橫隔板組成，在進行橫向分析時，橫隔板可作為簡化的桿系構件的腹板，支點橫隔板的上下翼緣寬度可按鋼結構橋梁設計規范的有效寬度計算得到。支點橫隔板的隔板布置間距、個數及厚度等，均可按計算分析的應力情況確定[3]。

跨間橫隔板對于頂底板的有效寬度起決定性的作用，也直接影響了頂板第二體系的應力情況，合理布置跨間橫隔板，也是鋼箱梁橋設計的重點之一。常規鋼箱梁橋腹板間距有限，故跨間橫隔板往往不受應力控制，主要由構造確定。隔板布置需結合梁高、腹板間距等確定，滿足橫向剛度要求，保證鋼箱梁具備良好的橫向抗扭能力。隔板的布置形式在鋼結構橋梁設計規范中有著詳細的規定[4]，可結合橋梁總體構造按規范執行，隔板的間距需結合第二體系應力情況確定。同時，隔板設計時，為保證后期養護維修的條件，需考慮人孔設計，確保鋼箱梁內部通達。

3 工程案例

3.1 設計方案

面丈港橋位于上海市金山區，根據河道規模及通航要求，結合場地條件，主橋的跨徑組合采用30 m+35 m+

35 m+30 m=130 m，橋寬根據橫斷面布置采用分幅設計，單幅橋寬為18 m。橋梁設計荷載采用城-A級，結構安全等級為一級，按地震基本烈度7 °設防，地震動峰值加速度0.12 g。

面丈港橋結構形式采用單箱四室，全橋共設5道腹板。連續鋼箱梁跨中正彎矩區底板厚16 mm，頂板厚16 mm，負彎矩區底板厚30 mm，頂板厚20 mm，頂板采用8 mm厚300×250的U形加勁肋形成正交異性鋼橋面板體系，底板采用12 mm厚的板肋；腹板厚14 mm，采用12 mm厚的縱向加勁肋；橫隔板標準縱向間距4 m，每兩道橫隔板之間設置一道橫向加勁板，厚度12 mm；端支點及加強橫隔板厚20 mm，中支點橫隔板厚25 mm，其余標準橫隔板厚12 mm，標準橫斷面布置如圖1所示。

3.2 疊加分析

3.2.1 模型建立

對面丈港橋的總體設計方案作了計算分析，論證其合理性。該橋梁為常規鋼箱梁橋，驗證方法采用第一體系+第二體系疊加計算，計算軟件采用橋梁博士V4.4.1，建立空間桿系有限元模型（如圖2所示）+等效格子梁法（如圖3所示）論證分析。

3.2.2 各體系應力計算結果

按施工階段分別添加荷載，并考慮車輛作用及梯溫效應后，主梁第一體系應力計算結果如圖4、圖5所示。

第二體系應力計算結果如圖6所示。

3.2.3 應力疊加匯總

鋼箱梁頂板所受正應力共分為兩部分：第一體系應力（縱向計算應力）及第二體系應力（頂板縱向計算應力），鋼箱梁底板僅受第一體系應力，綜合后鋼箱梁所受應力如表1所示。

由計算結果可知，鋼箱梁截面正應力計算滿足要求，故總體設計方案可行，在后續設計中加強深化各板件構造即可。

4 結論

該文主要介紹了常規鋼箱梁橋的設計方法，并結合工程案例進行了論證，為類似工程的鋼箱梁橋設計提供了一定的參考。但在實際工程應用中，對于小半徑曲線的單箱單室鋼箱梁橋設計時，因彎橋的受力特性較直線橋梁復雜，彎扭耦合效應明顯，內外腹板受力不均，此時如采用疊加計算方法，第一體系應當考慮采用梁格法，可較為準確地模擬各主腹板的應力及變形狀態，但對于多箱單室曲線鋼箱梁橋，因各箱的分擔比例較單箱單室更為復雜，梁格體系不能真實地反映實際受力情況，建議采用整體分析，建立板殼單元模型[5]。

參考文獻

[1]喬升訪， 肖時輝， 唐文彬， 等. 基于智能監測的鋼箱梁橋施工階段受力性能分析[J]. 中國科技論文， 2021（10）： 1061-1067.

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[3]劉清， 羅昊沖， 楊敏. 鋼箱梁實用設計分析[J]. 市政技術， 2015（4）： 40-41+46.

[4]公路鋼結構橋梁設計規范： JTG D64—2015[S]. 北京： 人民交通出版社， 2015.

[5]于長晧， 宋文學， 李永， 等. 雙箱單室曲線鋼箱梁橋的不同建模方法計算結果對比分析[J]. 公路交通技術， 2018

（6）： 58-63.