钢箱梁桥面板第二体系挠度及应力的计算分析
新标准下钢箱梁应力计算分析
新标准下钢箱梁应力计算分析发表时间：2018-04-19T16:03:26.047Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第33期作者：周成斌[导读] 交通部新颁发的《公路工程技术标准》（JTGB01-2014），对汽车荷载做了修改，相对于04规范，荷载有所提高。
中铁八局集团有限公司四川成都 610036 摘要：依据交通部颁发《公路工程技术标准》（JTGB01-2014），结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015），对钢箱梁进行整体静力计算分析及截面内力应力验算为理论分析基础；采用MidasCivil2013空间三维有限元程序对20m+30m+30m+20m跨径钢箱梁的工程实例进行应力及疲劳分析，得出相关结论，以供参考。
关键词：加筋肋；腹板；顶底板；Q345d钢材；抗疲劳中图引言交通部新颁发的《公路工程技术标准》（JTGB01-2014），对汽车荷载做了修改，相对于04规范，荷载有所提高，而对于钢结构桥面板，汽车荷载对其影响尤为突出，鉴于此，采用实例，并结合新颁发的钢结构桥梁设计规范对钢箱梁整体及局部进行验算，以得出设计差异，供从业者做分析参考。
1.工程概况本次结构分析根据国内某工程实例，本桥为某高速公路项目互通匝道上跨主线桥，该桥全长106.06m，桥面全宽10.5m，桥面布置为0.5m（防撞护栏）+9.5m（行车道）+0.5m（防撞护栏），采用单箱双室截面，梁高1.6m，施工方法采用工厂加工，现场分节段吊装。
典型横断面如图1图3.结构模型图2）计算荷载参数a．恒载一期恒载：包括主梁梁体及横隔板（包括实腹式横隔板、框架式横隔板、中支点横隔板、边支点横隔板、封头横隔板、翼缘横隔板），钢材容重取78.5kN/m3。
二期恒载：10cm厚沥青混凝土铺装，容重取24kN/m3；护栏，取10.9kN/m。
b．设计荷载：公路Ⅰ级。
c．温度作用：根据《公路桥涵设计通用规范》D60—2015，本项目位于寒冷地区，钢结构桥梁按最高温46度，最低温-21度。
简支钢箱梁桥第二体系应力分析
图1 钢箱梁跨中横断面2.2 荷载简化和模型建立因为第二体系应力侧重研究荷载在纵肋和横肋上的传递规律，其中桥面板看作是纵肋和横肋的翼缘；应力值都比较小，均在结构的线性变形范围内。
基于以上考虑，本文选取简支钢箱梁跨中段建立模型，分析车辆荷载作用下的应力传递规律，建筑与装饰2019年7月上 123图2 车辆荷载单组车轮横向加载图车轮集中荷载转化为均布压力荷载，作用面积取0.3×0.5m2。
利用midas板单元（薄板）分别模拟钢箱梁的顶板、腹板、底板和加劲肋，各部件采用共用节点方式满足变形协调。
图3 模型和加载图2.3 钢箱梁第二应力传递分析取钢箱梁模型顶板进行研究，分别标识出横隔板、腹板位置，顶板应力见下图。
图4 顶板应力图横隔板与腹板相交处和腹板线位置处的顶板应力均较大，前者应力最大约为32Mpa，后者应力约为23Mpa。
应力传递路径：横桥向通过U肋与顶板将荷载传递至腹板；顺桥向通过U肋将荷载传递至横隔板再传递至腹板。
两横隔板间车轮荷载产生的应力主要分布在两横隔板间的范围内，横隔板以外应力很小。
取钢箱梁模型三道腹板进行研究，分别标识出横隔板位图5 三道腹板应力图腹板应力主要分布在两横隔板之间，竖向集中在距端部1/10范围内，应力最大约为26.5Mpa。
取钢箱梁模型顶板加劲肋进行研究，分别标识出横隔板位置，加劲肋应力见下图：图6 加劲肋应力图加劲肋的应力影响范围在顺桥向三跨横隔板范围内，最大值出现在荷载作用位置，应力最大值约为36Mpa。
底板和底板加劲肋的应力值很小，可以忽略不计。
结束语根据模型计算结果分析，集中荷载作用在两横隔板中间时，可以得出以下结论：①钢箱梁顶板应力主要分布在两横。
2015--钢箱梁第二体系计算
2015公路钢结构桥梁规范 钢箱梁第二体系-kg
只考虑第二体系，为了不带入第一体系的影响，纵腹板位置施加边界，通过 只考虑第 体系 为了不带 第 体系的影响 纵腹板位置施加边界 通过 横隔板实际的截面刚度考虑对T肋及板肋的支撑效果，以体现纵肋纵向传递给横隔 板的效应。建立多个隔板间距整体桥面模型，根据圣维南原理，取中间数值作为 第二体系结果，也可以取值单个纵肋进行计算，隔板就是纵肋边界。
2015公路钢结构桥梁规范 钢箱梁第二体系-kg
第二体系计算模式可以采用多种方式，最简便的还是采用有效宽 系 算模 采 采 有效宽 度将桥面板纵横向分割，桥面板纵肋附带一块一定横向宽度顶板厚度 的模式，隔板附带 块 定纵向宽度顶板厚度，分割的宽度按照有效 的模式，隔板附带一块一定纵向宽度顶板厚度，分割的宽度按照有效 宽度计算。
2015公路钢结构桥梁规范 钢箱梁第二体系-kg
对于T肋，修改模型中纵肋有效宽度，梁格模型及单T肋模型，T肋桥面板有效宽度按 照主梁剪力滞有效宽度分别计算支点及跨中 1、2图梁格模型， 照主梁剪力滞有效宽度分别计算支点及跨中， 图梁格模型 3、4单T肋模型。设计中 肋模型 设计中 完全可以建立单肋模型进行第二体系计算，比较接近梁板模型的结果。 梁格模型 跨中下缘最大拉应力 33MPa 跨中下缘最大压应力 -35MPa 单T肋模型 跨中下缘最大拉应力 41MPa 跨中下缘最大压应力 -38MPa 板单元梁模型 跨中下缘最大拉应力 39MPa 跨中下缘最大压应力 -39MPa
2015公路钢结构桥梁规范 钢箱梁第二体系-kg
钢桥面自重及二恒影响较小，主体荷载还是车辆的车轮荷载控制，计算当中采用 车轮荷载，定义车道后让车轮荷载在纵肋上按照影响线加载。 桥面板用板单元建立模型，跨中下缘最大拉应力与支点下缘最小压应力如下图，T肋模 型（1、2图 图）、板肋模型（ 板肋模 3、4图 图） 。
钢箱梁正交异性桥面板第二体系应力计算分析
图1 主梁断面图（单位：厘米）
技术应用
恒载包括钢梁箱体结构自重，护栏，桥面铺装等。
汽车荷载采用公路Ⅰ级车辆荷载。
第二体系为板单元模型，计算程序内置车轮荷载为集中力，直接计算，结果受应力集中影响较大，不够准确。
本计算采用影响面分析，确定移动荷载车轮作用位置，然后采用实际车轮作用范围进行加载的方法进行计算。
五、桥面板第二体系强度分析1.最大拉应力
本桥顶板第二体系顺桥向最大拉应力出现在4086号单元，其位置为横向位于两腹板中间，纵向位于两横隔板跨间的U 肋下缘，最大拉应力为82.1MPa，最大应力出现位置及云图如图4、5所示：
2.最大压应力
本桥顶板第二体系顺桥向最大压应力出现在882号单元，其位置为横向位于两腹板中间，纵向位于横隔板处 2.第二体系最大压应力
在基本组合下，顶板第二体系最大压应69.6MPa，其位置为横向位于两腹板中间，纵向位于横隔板处的U 肋下缘。
3.总体设计控制
此为标准段的第二体系计算结果，考虑到需与第一体系计算结果叠加，可据此结果大体确定第一体系的应力余量。
（作者单位：中国铁路设计集团有限公司）
图4 4086号单元最大拉应力时荷载作用位置
图5 顶板第二体系最大拉应力（MPa）
图6 882号单元最大压应力时荷载作用位置
图7 顶板第二体系最大压应力（MPa）
图2 整体有限元模型
图3 顶板底部有限元划分。
钢箱梁桥的有限元分析
钢箱梁桥的有限元分析1．钢箱梁桥的概述在大跨度桥梁的设计中，恒载所占的比重远大于活载，随着跨度的增大，这种比例关系也越来越大，极大地影响了跨越能力。
因此，从设计的经济角度来说，考虑减轻桥梁结构的自重是很重要的。
钢材是一种抗拉、抗压和抗剪强度均很高的匀质材料，并且材料的可焊性好，通过结构的空间立体化，钢桥能够具有很大的跨越能力。
随着高强度材料和焊接技术的发展，以及桥梁设计、计算理论的发展和计算机技术发展，从50年代以来，钢梁桥地建设取得了长足的发展，欧洲相继建造了多座大跨钢桥。
从前被认为不可能计算的复杂结构，现在能够通过计算机完成，并且计算结果与实测结果吻合较好。
同过去相比，在相同的跨度与宽度的条件下，用钢量可减少15一20 %，工期与工程的造价也都减少很多，因此钢桥在大跨桥梁领域内具有相当强的优势和竞争力。
在构成钢桥的主要构件中，其翼缘和腹板均使用薄板，其厚度与构件的高度和宽度比都比较小，是典型的薄壁构件。
它与以平面结构组合为主的桥梁结构分析有一定的区别，它涉及到很多平面结构中不常考虑的扭转问题，所以必须依据薄壁结构理论才能明了其应力和应变状态，其应力及变形应按照薄壁结构的理论进行计算。
由于钢箱梁桥是空间结构，结构在恒载或活载的作用下会发生弯一扭藕合。
如果采用传统的计算手段和方法，计算模型要进行必要地简化，为了简化计算，一般的设计规范都要通过构造布置，使实际结构满足简化后的计算理论。
实践表明在满足构造要求后，计算的精度能够满足实际地需要。
但是这样的计算无法得到结构的一些特定部位的精确解，例如变截面和空间构件交汇的部位等。
随着计算机技术和有限元理论的发展和进步，计算机的有限元法己成为现代桥梁的重要计算手段，不但有很高的效率而且可以根据实际的需要进行仿真分析，计算结果经验证与结构的实际结果吻合较好。
当前结构的计算机仿真分析已成为一种广为应用的计算手段。
同一座桥梁可以采用不同的施工方法，但是成桥后的最终应力状态会有差异，结构的最终应力状态与安装过程密不可分。
某大跨度斜拉桥钢箱梁第二体系应力计算分析
杨 大海 ， 余 振
２ ３ ０ ０ ８ ８ ） （ 安徽省交通规划设计研究院有限公司 ， 安徽 合肥
摘
要： 以某大跨度斜拉桥 为工程背景 ， 对钢箱梁桥面板进行第二体系应力分析， 分别建立杆系模型和空间板壳模 型进行 计算 ， 并
桥面板 加 以研究 【 ：
｛ 广希Ｔ — 广 Ｔ — ｒ —嚣
结 构体 系 Ｉ： 由顶 板和 纵肋组 成 的结构体 系看 成
是 主梁的一 个组 成部分 ， 参 与主梁 共 同受力 ， 称 为“ 主
梁体 系” 。 结 构 体 系 Ⅱ： 由纵 肋 、 横肋 和 顶 板组 成 的结 构 体 系， 顶板 被 看成纵 肋 、 横肋上 翼缘 的一 部分 ， 结 构体 系 Ⅱ起 到 了桥 面 系结构 的作 用 ， 把 桥面 上 的荷 载传递 到 主梁 和刚度 较大 的横 梁 ， 称 为‘ ‘ 桥 面体 系” 。
三个结 构体 系分 别 进 行 计 算 然 后 叠 工 程 概 况
某 大跨度 斜拉 桥主梁 采用 分离式 钢箱 梁 ， 钢桥 面
上铺 设浇 筑式 沥青 混 凝 土铺 装 。两箱 通 过 中间 的钢 横 梁 连 接 。钢 箱 梁 中心 处 梁 高 ３ ． ５ ｍ， 宽（ 含风嘴） ５ ２ ． ５ ｍ； 标准 梁段 顶板 厚 １ ６ ｍｍ， 顶板 Ｕ肋 厚８ ｍｍ，
计算 法 ； 另一 类是将 钢桥 面板受 力按前 述 的方法 分 为
性 的连续 板 ， 这 个 板 直 接 承 受 作 用 于肋 问 的 车 轮 荷 载， 同时把 车轮 荷载 传递 到肋上 ， 称为 “ 盖板 体 系” 。 在荷 载 作 用下 ， 钢桥面板任何一点 的内力可 由
钢箱梁第二体系应力计算分析
钢箱梁桥具有自重轻、跨越能力强，抗弯抗扭刚度 大，钢材拉压性能一致，工厂制造、现场安装、施工工期 短，适应性强、适用范围广等优点，在工程中被国内外广 泛使用。钢箱梁计算分析通常有两种途径。一是通过有 限元分析，建立全桥模型。这种计算分析方式需要建立 全桥有限元模型，一次得到整个结构的全部内力，结果详 细、全面，但计算所需资料庞大，建模过程复杂，分析耗时 过长，对设计者的建模能力及计算机硬件要求较高，一般 设计中不建议采用。二是将钢箱梁按三个体系分别进行 计算后综合考虑。由于钢箱梁结构各部件之间传力明 确，所以采用这种方式计算较为经济、快捷。
收稿日期：2020-10-26 作者简介：任秋云（1988—），女，本科，工程师，研究方向：道路桥梁。
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钢箱梁第二体系应力计算分析
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图 1 钢箱梁标准断面图（单位：mm）
钢箱梁第二体系应力的实用计算方法对比
智城建设NO.04 202499智能城市 INTELLIGENT CITY 钢箱梁第二体系应力的实用计算方法对比王伟 张国飞（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430063）摘要：文章以G107武汉市东西湖段（高桥二路—额头湾）快速化改造工程九通路钢箱梁为例，采用Midas Civil 2020分别建立钢箱梁第二体系的单肋模型、梁格模型和梁板模型，通过对比3种建模方式下钢箱梁第二体系应力大小，论证了单肋模型的计算结果偏安全，为同类型桥梁的计算分析提供参考。
关键词：钢箱梁；第二体系；单肋模型；梁格模型；梁板模型中图分类号：U441.5 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2024）04-0099-03DOI：10.19301/ki.zncs.2024.04.031Comparison of practical calculation methods of stressin the second system of steel box girderWANG Wei ZHANG Guo-feiAbstract：Taking the Jiutong Road steel box girder of G107 Wuhan East West Lake Section (Gao Qiao No.2 Road—E Tou Wan) as an example, the single rib model, beam lattice model, and beam-palte model of the second system of steel box girder are established by Midas Civil 2020. By comparing the stress of the second system of steel box girder under three modeling methods, the calculation results of the single rib model are proved to be safe, which provides a reference for the calculation and analysis of the same type of bridges.Key words：steel box girder; the second system; sngle rib model; beam lattice model; beam-plate model正交异性钢桥面板通常按照3个基本结构体系进行研究，在荷载作用下，钢桥面板任一点的内力均可由3个体系叠加近似求取[1]。
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钢箱梁桥面板第二体系挠度及应力的计
算分析
摘要：钢桥面板作为正交异性桥面板，不仅直接承受车轮荷载作用，而且作
为主梁的一部分参与主梁共同受力，其力学行为十分复杂。
本文以某钢箱梁第二
体系为研究对象，采用Midas-FEA NX实体仿真有限元软件建模，分别对比I截
面加劲肋、梯形截面（U肋）加劲肋在不同加载位置时，钢箱梁桥面板第二体系
应力及相对挠度的大小，从而得出钢箱梁桥面板第二体系计算中最不利的加载位置，为类似设计、计算提供参考。
关键词：钢箱梁第二体系应力正交异性桥面板
0前言
钢箱梁桥具有抗拉强度高、弹性模量高、材料利用率高、自重小、跨越能力强、施工工期短；工厂制作、现场安装质量可以保证；韧性、延性好，抗震性能好；材料能耗低、污染少，且可回收利用；钢桥整体受力性能好，拆除方便，对
变宽、小半径桥梁适应能力强，在国内外工程中被广泛使用。
钢箱梁桥面板计算
分析方法有两种。
一种是整体计算法，该方法采用有限元软件把所有结构建立出来，此方法比较接近实际受力，但建模过于复杂，对计算机要求较高，分析耗时
较长，对于跨度大、桥梁宽、结构复杂的桥梁甚至达不到计算的程度。
另一种是
叠加计算法，此方法是将钢箱梁三个结构体系分别进行计算，然后叠加近似求出
结果。
钢箱梁各部件之间的传力比较明确，采用叠加计算法比较经济、快捷，本
项目采用叠加计算法。
桥面板纵向加劲肋有I、L、T、梯形截面（U肋）、V、U等截面形状，L形
截面、T形截面、U形截面工厂焊接量大，工地连接比较困难，V形截面受力较差，很少使用。
本文选用常用的I形截面和梯形截面（U肋）加劲板分别计算分析在
不同加载位置时，钢桥面板在第二体系计算中最不利加载位置，为类似设计提供参考。
1桥梁概况
某高速公路钢箱梁桥跨径为44+80+50m，平面位于圆曲线上。
桥梁按左右双幅布置，桥梁全宽度为25.2m，单幅桥宽为12.25m。
本桥采用双向六车道，桥梁设计荷载采用公路-Ⅰ级。
桥面铺装为10cm厚改性沥青混凝土，调平层为10cm 厚C50钢纤维防水混凝土，钢箱梁采用Q345qD钢材。
钢箱梁横断面采用单箱双室等截面直腹板断面，箱梁标准梁高为3.2m，箱梁顶板宽12.25m，底板宽6.85m，两侧翼缘板各宽2.75m。
顶板厚度为16～24mm；底板厚度为14～30mm；腹板厚度为16～20mm。
箱梁纵向每隔3m设置一道实腹式横隔板，两道实腹式横隔板之间设置横向框架加劲板。
钢箱梁I形加劲肋标准横断面如图1所示，加劲肋间距为300mm板厚采用16mm。
梯形截面（U肋）加劲肋标准横断面如图2所示，加劲肋间距为600mm板厚采用8mm。
图 1钢箱梁I形截面加劲肋标准横断面
图 2钢箱梁梯形截面（U肋）加劲肋标准横断面
2计算模型
第一体系采用Midas Civil单梁模型，荷载包括自重、压重、二期、车道荷载、沉降、整体升降温等。
经过计算钢箱梁顶缘最大应力在跨中，应力大小为167.2MPa。
第二体系采用Midas-FEA NX实体仿真有限元软件建立钢箱梁局部模型，横桥向为单幅全宽12.25m，顺桥向选取6m，包含3道实腹式横隔板，2道横向框架加劲板。
第二体系由纵向加劲肋肋、横肋（横隔板、横向框架板）和顶板组成的体系，顶板被看成纵向加劲肋、横肋共同上翼缘。
该体系支承在主梁和横梁上，它把桥面板上的恒载和外力传递到主梁和刚度较大横梁上。
因为第一体系与第二体系是叠加关系，第二体系仅需考虑轮载对桥面系的作用。
本次计算采用公路桥梁-Ⅰ级汽车荷载，并且考虑铺装层的扩散范围，荷载冲击系数按规范取0.4，车轮荷载指标见表1。
边界条件为腹板与底板相交位置铰接，根据不同类型加劲板及不同加载位置共计分成8个工况，具体加载位置见表2，横向加载位置如图3～图5所示（梯形截面加载位置与I形截面相同）。
表1车轮技术指标
表2工况加载说明
注：工况1、工况8加载位置选择是结果不受加劲肋的影响。
图 3工况1、3、5、7车轮横断面位置
图 4工况2、6车轮横断面位置
图 5工况4、8车轮横断面位置
按照表2加载方式，建立第二体系局部模型如图6所示。
图 6钢箱梁第二体系局部模型
4第二体系计算结果
经过计算，不同工况下桥面系的有效应力如图7～图10所示，应力值大小如表3所示。
图 7工况1、3桥面板有效应力
图 8工况2、4桥面板有效应力
图 9工况5、7桥面板有效应力
图 10工况6、8桥面板有效应力表3不同工况下最大应力
注：表中应力未计入0.4的汽车冲击系数。
从上述图表中可知，I形截面加劲肋在不同工况下最大应力对比：工况1＞
工况4＞工况2＞工况3，工况4、工况2、工况3相对工况1分别减少百分比为：1.6%、14.2%、57.1%；梯形截面（U肋）加劲肋在不同工况下最大应力对比：工
况5＞工况8＞工况6＞工况7，工况8、工况6、工况7相对工况5分别减少百
分比为：1.6%、2.5%、32.2%。
，I形截面加劲肋在不同工况下顶板相对加劲肋或
腹板最大挠度对比：工况2＞工况4＞工况1＞工况3，梯形截面（U肋）加劲肋
在不同工况下顶板相对加劲肋或腹板最大挠度对比：工况6＞工况8＞工况5＞工
况7。
相同加载位置时，梯形截面（U肋）加劲肋应力及相对挠度均小于I形截
面加劲肋应力及相对挠度。
顶板相对加劲板或腹板最大挠度为0.235mm＜300/700=0.43mm满足规范要求。
根据表3可知第二体系顶板最大应力为37.39MPa，并未计入0.4汽车冲击系数。
第一体系与第二体系叠加后，钢箱梁顶板应力为：第一体系应力+第二体系
应力+0.4冲击系数×第二体系应力=167.2MPa+37.39+0.4×37.39=219.5MPa＜
270MPa，两种形式加劲板的叠加应力均满足规范要求。
5结论
本文以某高速公路钢箱梁为工程背景，通过第一体系Midas Civil单梁模型
求出钢箱梁顶缘最大应力在跨中，然后取6m跨中段建立了该桥梁第二体系的实
体仿真有限元模型，分析了在车辆荷载作用下不同的加载位置对应力及相对挠度
的影响，得出了以下结论：
a、根据有限元实体仿真模型可知，相同加劲肋不同加载位置时，对顶板相
对加劲肋或腹板的挠度的影响较大，车轮距腹板越近顶板相对挠度越大，在腹板
顶部时相对挠度最大。
顶板相对挠度越大，桥面铺装越容易产生裂缝；为避免桥
面产生裂缝，纵向腹板布置时应避开行车轮迹带，设置在车道中间或者车道线处；为防止桥面铺装疲劳裂缝，可选用防裂混凝土。
b、车轮对受压区之外小范围内应力影响比较大，横桥向距离受压边缘25cm
范围外应力影响较小。
c、通过对比相同加劲肋不同加载位置可知，车轮在腹板顶部或横肋顶部应
力较小，在相邻腹板及横肋中间应力最大，其余位置的应力与最大应力相差不大。
所以车轮不在腹板顶部和横肋顶部时，车轮相对腹板距离对应力影响很小，此处
应力主要受加劲肋的影响。
d、通过对比两种不同加劲肋可知，梯形截面（U肋）加劲肋应力及相对挠度
均优于I形截面加劲肋，而且梯形截面（U肋）加劲肋钢材用量比I形截面加劲
肋钢材用量要少，所以若无其他限制条件，尽量选择梯形截面（U肋）加劲肋。
参考文献：
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交通出版社股份有限公司，2015.
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