摘 要：基于鋼箱梁節段有限元模型，分析鋼箱梁在城-A級車輛荷載作用下結構響應情況，研究橫隔闆厚度與橫隔闆開孔加勁肋厚度對橫隔闆穩定性的影響。分析表明：所研究鋼箱梁在城-A級車輛荷載作用下橫隔闆應力遠小于設計允許應力，橫隔闆穩定性是其設計控制要素；該鋼箱梁中厚度大于12 mm的橫隔闆具有較高的穩定性，同時橫隔闆開孔處加勁肋厚度采用10～16 mm、寬度采用200 mm能有效提高鋼箱梁橫隔闆穩定性。基于公路鋼結構橋梁設計規範中橫隔闆設計要求進行了橫隔闆設計方案細化，建議梁高小于2.72 m的鋼箱梁橫隔闆間距按3m設計，橫隔闆厚度采用12 mm或14 mm，橫隔闆開孔加勁肋寬度采用200 mm、闆厚采用10 mm。武漢山湖大道項目鋼箱梁采用該方案進行了鋼箱梁設計，所設計橋梁受力滿足規範要求，同時鋼材用量較少，結構具有較好的經濟性。

關鍵詞：鋼箱梁;橫隔闆;穩定性;有限元;

鋼箱梁橋是一種被廣泛使用的橋型，其截面是由頂底闆和腹闆焊接形成的薄壁結構，在恒載與活載作用下箱梁截面易發生畸變和面外變形，設置橫隔闆及加勁肋能有效防止截面産生過大的變形，提高結構抗扭性能[1]。不少學者對斜拉橋采用的扁平鋼箱梁橫隔闆第一類穩定問題與第二類穩定問題進行了研究[2,3,4]，對城市高架橋常用鋼箱梁斷面跨間橫隔闆研究較少。

《公路鋼結構橋梁設計規範》（JTG D64—2015）對鋼箱梁橋橫隔闆設計進行規定，為保證正交異性鋼橋面闆的剛度與受力性能，鋼箱梁橫向加勁肋或橫隔闆間距不宜大于4m，同時規定鋼箱梁跨間橫隔闆應有足夠的強度與剛度，但規範隻在條文說明中給出日本公路鋼結構橋梁設計指南中橫隔闆剛度的計算方法。該方法給出橫隔闆最大布置間距的經驗公式和在最大橫隔闆布置間距下鋼箱梁橫隔闆剛度要求，同時給出實腹式橫隔闆、矩形框架式橫隔闆和桁架式橫隔闆剛度計算方法，但如表1所示日本規範給出的公式中橫隔闆間距一般大于設計常用的2～4m橫隔闆布置間距，不方便指導橋梁設計。

表1 規範橫隔闆計算間距與實際橫隔闆設計間距對比 下載原圖

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以一單箱三室鋼箱梁為研究對象，采用有限元軟件進行鋼箱梁橫隔闆受力分析，研究橫隔闆厚度與橫隔闆開孔處加勁肋厚度對橫隔闆穩定性的影響，針對規範中橫隔闆設計建議進行了細化，給出了梁高度小于2.72m的鋼箱梁橫隔闆設計建議，并以此進行武漢山湖大道項目鋼箱梁設計，為鋼箱梁橫隔闆設計提供參考。

研究的鋼箱梁為單箱三室截面，梁高2.72m，梁寬20.5m，箱梁挑臂長2.5m，中箱箱室寬5.1m，邊箱箱室寬5.2m。跨間橫隔闆布置間距3m，橫隔闆在距上緣800mm、下緣700mm、左右兩側腹闆1000mm範圍内進行開孔處理，并在開孔邊緣設置200mm寬、10mm厚的開孔加勁肋，邊箱在兩道橫闆間設置腹闆橫向加勁肋，鋼箱梁典型橫斷面見圖1。選取9m鋼箱梁節段進行橫隔闆結構分析，節段箱梁頂底闆厚16m，腹闆厚14mm，橫隔闆厚14mm，鋼箱梁鋼材采用Q345qd。

圖1 鋼箱梁橫斷面示意圖 下載原圖

采用通用有限元軟件建立節段鋼箱梁模型，鋼箱梁鋼闆采用SHELL63單元模拟，鋼闆彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.31，有限元模型見圖2。

圖2 鋼箱梁節段有限元模型 下載原圖

采用《城市橋梁設計規範》（CJJ 11—2011）城-A級車輛荷載進行橫隔闆受力分析，城-A級車輛重軸重200kN，輪距1.8m，車輪着地的寬度×長度為0.6m×0.25m，汽車局部荷載作用的沖擊系數取0.4。橫隔闆最不利荷載工況為車輛荷載重軸作用于橫隔闆處箱梁頂闆，橫橋向按1.3m間距并排布置4輛汽車的重軸位于橫隔闆處。

圖3計算結果表明在城-A級汽車荷載作用下，橫隔闆最大應力發生在橫隔闆開孔倒角處，最大MISES應力為40.9 MPa，輪載處箱梁中箱與邊箱橫隔闆豎向變形較為接近，汽車輪載對橫隔闆開孔下方區域受力影響很小，橫隔闆整體應力水平較低，遠低于Q345鋼材設計強度。同時結果表明橫隔闆在距離頂闆800mm處進行挖空處理後仍能滿足結構的強度要求，該措施減少橋梁鋼材用量且減小橋梁自重。計算表明橫隔闆開孔加勁肋最大應力較橫隔闆最大應力大，橫隔闆開孔下側加勁肋應力較小，上側倒角處加勁肋應力最大，最大MISES應力為542MPa，橫隔闆開孔上側加勁肋能有效參與結構受力。

圖3 輪載作用處橫隔闆MISES應力雲圖（單位：Pa) 下載原圖

計算結果表明在城-A級車輛荷載作用下正交異性鋼橋面闆應力水平較低，說明橫隔闆按3m間距布置能使橋面闆具有足夠的剛度，能有效降低鋼箱梁的第二體系應力，同時橫隔闆間距按4m布置橋梁第二體系應力增加明顯，減小橫隔闆間距，結構經濟性降低。

薄壁鋼箱梁的局部穩定性也是設計控制因素，結構穩定問題分析一般分為第一類穩定問題與第二類穩定問題，第一類穩定問題為平衡分支問題，表現為求解結構彈性屈曲特征值，第二類穩定問題為極值點失穩問題，實質上是一個考慮了結構材料非線性、幾何非線性與初始缺陷等的結構極限承載力問題。基于第一類穩定問題進行該橋橫隔闆穩定性研究。

基于上述模型在汽車荷載作用下進行結構特征值屈曲分析。鋼箱梁前五階失穩的特征值見表2。前三階失穩模态均為橫隔闆失穩，第一階失穩模态為中箱橫隔闆失穩，失穩模态見圖4，失穩特征值為7.189。第三階失穩模态為邊箱橫隔闆失穩，模型中邊箱與中箱荷載較為接近，但邊箱橫隔闆失穩特征值較中箱橫隔闆失穩特征值高25.8%，邊箱在橫隔闆中間加設腹闆橫向加勁肋，這表明邊箱橫隔闆中間加設的腹闆橫向加勁肋能有效提高橫隔闆的穩定性；該橋第四階失穩模态才是鋼箱梁腹闆失穩，這表明該橋鋼箱梁腹闆穩定性高于橫隔闆穩定性。

表2 鋼箱梁第一類失穩問題分析結果 下載原圖

鋼箱梁節段分析表明，鋼箱梁在城-A級荷載作用下橫隔闆失穩特征值大于4，橫隔闆具有足夠的穩定性，同時按3m間距布置橫隔闆能有效提高腹闆穩定性。

圖4 鋼箱梁第一階失穩模态（失穩特征值=7.189) 下載原圖

建議鋼箱梁橋設計時橫隔闆間距按3m間距布置，此時正交異性鋼橋面闆第二體系應力水平較低，鋼箱梁腹闆具有較高的穩定性，能滿足鋼結構規範中規定的橋梁橫隔闆間距不宜大于4m的要求，同時結構經濟性較高。

橫隔闆厚度及加勁肋剛度是影響橫隔闆穩定性的重要因素，基于上述截面，通過改變橫隔闆厚度與橫隔闆開孔加勁肋厚度進行橫隔闆穩定性分析，見表3～表4。

表3 橫隔闆厚度對箱梁穩定性影響分析 下載原圖

注：t1為橫隔闆厚度，h1為橫隔闆開孔上邊緣距離箱梁頂闆的高度。

表4 橫隔闆開孔處加勁肋對箱梁穩定性影響分析 下載原圖

注：t2為橫隔闆開孔加勁肋厚度；b1為橫隔闆開孔加勁肋寬度；一階失穩均為橫隔闆失穩。

由表3可知，橫隔闆厚度變化對橫隔闆穩定性影響較大，橫隔闆厚8～14mm時，箱梁一階失穩為橫隔闆失穩，橫隔闆每減少2mm，橫隔闆一階失穩特征值減少約30%，橫隔闆最大應力增加幅度較小，橫隔闆整體應力水平很低。當橫隔闆厚度為16mm時，箱梁一階失穩模态為箱梁腹闆失穩，橫隔闆穩定性高于腹闆穩定性。同時計算表明，橫隔闆厚度變化對鋼橋面闆應力影響很小。在進行橫隔闆設計時，對于本文分析箱梁截面橫隔闆厚度宜采用12mm或14mm，橫隔闆厚度大于14mm不經濟，厚度小于12mm橫隔闆穩定性不足。

由表4可知，上述截面在橫隔闆開孔後不進行加勁設計時，橫隔闆一階失穩特征值僅為3.64，當采用寬200mm的闆肋進行開孔加勁後橫隔闆穩定性有明顯提升，但當加勁肋厚度大于8mm後，加勁肋厚度每增加2mm，橫隔闆一階失穩特征值增加約4.7%～8.8%，對橫隔闆穩定性的提高較小，橫隔闆最大應力與加勁肋最大應力略有減小，但減小幅度不大。基于上訴分析，設計橫隔闆開孔加勁肋是必要的，但通過增加橫隔闆開孔加勁肋厚度提高橫隔闆穩定性的效率較低，建議類似本文研究的鋼箱梁截面橫隔闆開孔加勁肋厚度采用10～12mm，寬度采用200mm。

基于上述分析，在滿足鋼結構橋梁設計規範的基礎上，進行了橫隔闆設計内容的細化，給出了梁高小于2.72m的鋼箱梁橫隔闆設計方案，方案建議橫隔闆間距采用3m，橫隔闆厚度采用12mm或14mm，橫隔闆開孔加勁肋采用10mm，寬度采用200mm，該橫隔闆設計方案能滿足鋼橋梁設計規範要求，同時鋼材用量較少，具有較好的經濟性。

武漢山湖大道項目的鋼箱梁橋采用該方案進行了橋梁設計，該鋼箱梁橋為跨線橋，汽車荷載等級采用城A級荷載，人群荷載按城市橋梁規範計算，跨徑組成為（43 63 45) m，橋寬20.5m，梁高272m，最終施工圖設計方案中橫隔闆間距按3m設計，橫隔闆厚度采用14mm，同時對橫隔闆進行了開孔處理，橫隔闆開孔加勁肋闆厚10mm，寬200mm，該橫隔闆設計方案指導下主梁結構受力滿足規範要求，結構用鋼量較少，具有較好的經濟性。

(1）對于研究的鋼箱梁截面，橫隔闆在城-A級汽車荷載作用下結構應力水平較低，其穩定性是設計時的控制因素。從結構安全性與經濟性考慮，在鋼結構規範橫隔闆設計要求的基礎上進行了細化，建議類似鋼箱梁截面橫隔闆間距按3m設計，橫隔闆厚度取12～14mm，既滿足結構穩定性要求，同時也滿足結構強度與剛度要求。

(2）為減輕結構自重同時提高設計方案經濟性，橫隔闆可進行開孔處理，但需在開孔邊緣設置加勁肋，建議類似鋼箱梁截面在設計時橫隔闆開孔加勁肋厚度采用10mm，寬度采用200mm。

(3）武漢山湖大道基于上述建議方案進行了鋼箱梁設計，結構具有較好的受力性能，同時具有較好的經濟性。

[1] 吳沖．現代鋼橋：上冊[M]．北京：人民交通出版社，2006.

[2] 葉華文，管樂，衛星．運營階段大跨斜拉橋扁平鋼箱梁橫隔闆受力分析[J]．重慶交通大學學報（自然科學版），2011(2):204-208.

[3] 李傳習，袁鵬，羅超雲，等．嘉紹大橋架設鋼箱梁局部受力的不利階段及其效應分析[J]．中外公路，2014(1):117-120.

[4] 張莉．橫隔闆及幾何特征對鋼箱梁畸變效應的影響[J]．鐵道工程學報，2013(8):68-73.