钢箱-混凝土组合梁桥施工期开口钢箱的稳定性分析

邢 渊，田 飞，陈尧三，刘 钊

（1.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000；2.东南大学，江苏 南京 210096）

钢箱-混凝土组合梁桥施工期开口钢箱的稳定性分析

邢 渊1，田 飞2，陈尧三1，刘 钊2

（1.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000；2.东南大学，江苏 南京 210096）

钢箱-混凝土组合梁桥具有自重轻、施工速度快等特点，但在开口钢箱与混凝土桥面板形成组合作用前，钢梁在施工阶段的稳定性可能成为控制设计的因素。文章以跨径25 m钢箱-混凝土组合梁桥为对象，运用三维有限元模型，对其在最不利施工阶段的整体稳定及局部稳定进行参数分析，研究表明，开口钢箱设置单斜撑式上口平联能有效增强侧向扭转稳定性；为保证开口钢箱的整体稳定性，钢箱间侧向横撑的合理间距范围是1/3L0～1/2L0；当平联节间长度与箱梁开口宽度之比β小于6时，可满足钢箱腹板局部稳定性要求；翼缘的宽厚比bf/tf的取值范围在7≤bf/tf≤12时，可满足钢箱翼缘局部稳定性要求。

钢箱-混凝土组合梁桥；开口钢箱梁；稳定性；参数分析

1 概述

钢箱-混凝土板组合梁桥可以由开口钢箱（U形钢箱）和混凝土桥面板组成。这种结构除了可以充分发挥材料强度、减轻结构自重外，一般还能利用先架设的开口钢箱进行桥面板现浇施工，或依托钢梁进行预制桥面板的拼装架设，既免除支架投入，又能实现快速拼装。

在利用开口钢箱进行桥面板施工时，存在发生局部或总体失稳两种可能性。局部稳定主要因钢梁上翼板全部和腹板的大部分处于受压状态，板件可能发生局部波浪形的凹凸变形，即局部失稳。总体稳定包括单片箱梁侧向弯扭失稳和多片箱梁侧向弯扭失稳，特别独立开口单箱截面，因其剪心位于底板以下（如图1所示），便有可能发生整体侧向扭转失稳［1］。

2002年美国纽约州的梅西桥（Mercy Bridge）在浇筑混凝土板阶段，钢梁一侧发生倾覆，导致1名工人遇难及9名工人受伤。分析结果表明，由于开口钢箱梁顶部缺少上口平联，引发整体扭转失稳是事故原因所在［2］。

图1 开口钢箱围绕剪心的扭转失稳

在美国梅西桥发生倾覆稳定事故后，开口钢箱施工期稳定性问题受到高度重视。2002年美国德克萨斯州交通部的Brian Scott Chen, Joseph A.Yura等人进行了开口钢箱施工阶段稳定性的试验研究，分析了带X撑开口钢箱的侧向扭转稳定性、失稳模态及X撑式平联的内力等［2-3］。2005年德克萨斯州立大学的D. R. Popp和E.B.Williamson对梅西桥的事故进行了数值模拟，发现失稳模态与事故实际模态相吻合，均为侧向扭转整体失稳［1］。2009年，美国东北大学的D. R. Corr等人对梅西桥进行了稳定性分析，对比有无平联对开口钢箱梁整体稳定性的影响，发现加单斜撑式平联比不加时的整体稳定性提高了3倍［4］。

因此，本文结合一座设计中的钢箱-混凝土组合梁桥，分析在钢梁及预制桥面板吊装阶段，平联形式及参数对开口钢箱局部及整体稳定的影响，并给出设计建议。

2 工程概况

本工程为一座跨径25 m的钢箱-混凝土组合梁桥，钢箱梁在施工阶段为斜腹板开口钢箱，横向5片，间距3.2 m，预制桥面板厚22 cm（设6 cm高承托）。钢梁高1.0 m，上口宽1.6 m，底板宽1.2 m，上口设有32 cm宽的翼缘板；翼缘板及底板厚16 mm，腹板厚12 mm。钢箱梁上翼缘焊有间距为1 m的集簇式栓钉。钢材均采用Q345d，预制混凝土板采用C50混凝土。

为保证钢箱梁在施工与运营期的稳定性，钢箱间设有桁架式横向支撑，钢箱内设有上口平联，上口平联与翼缘板焊接。钢箱-混凝土组合梁桥结构布置如图2所示。

图2 钢箱-混凝土组合梁桥布置（单位：mm）

3 平联形式对单片钢箱梁施工期稳定性的影响

在钢梁吊装阶段，钢梁间侧向横撑还未固定，各片钢梁单独承受自重及施工荷载且无侧向支撑。此时，钢梁极易发生侧向扭转失稳，而钢箱上口平联是增强开口钢箱扭转刚度的重要构件。当钢箱侧向扭转变形时，平联内力能有效抑制该变形［5］如图3所示。平联形式有单斜撑式和X撑式，构造形式如图4所示。

图3 钢梁侧扭下平联内力

图4 两种平联类型

本节采用有限元数值模型对比分析开口钢箱单梁在不设平联、设斜撑式平联及设X撑式平联3种情况下的稳定性及失稳模态。主梁、横联及加劲肋采用板单元模拟，钢箱间平联采用梁单元。荷载包括自重与施工荷载；施工侧向支撑时，考虑到钢梁一侧有施工人员及施工机具自重产生的荷载，因此，施工荷载采用10 kN的集中荷载作用在跨中一侧翼缘；对模型进行欧拉稳定分析即可得到临界荷载系数λ。有限元模型如图5所示，分析结果如图6所示。

图5 单片钢箱梁的有限元模型

由分析结果可看出，加平联后的开口钢箱稳定性是不设平联时的2～3倍，设X撑式平联比设单斜撑式平联的稳定性高1.2倍；不设平联及设单斜撑式平联时，钢箱的失稳模态为整体侧向扭转失稳，而设X撑式平联时，钢箱的失稳模态为整体侧向反对称扭转失稳（与设单斜撑式平联时的第二屈曲模态相同）。

图6 钢梁屈曲模态

上口平联的设置能明显提高开口钢箱的整体稳定性，因此，在构造设计中，应在开口钢箱上翼缘设置上口平联。由于X撑式平联较单斜撑式平联对稳定性提高幅度不大，且X撑施工更加复杂，因此，在设计中推荐采用单斜撑式平联。

4 多片钢箱梁在桥面板架设阶段的稳定性分析

钢梁吊装结束后即施工钢箱间横联，使多片钢梁形成横向整体。在混凝土浇筑或桥面板铺设关键施工阶段，需分析多片钢箱梁的整体与局部稳定。

4.1 整体稳定分析

侧向支撑是钢梁的外部侧向支承，支撑间距Lc为钢梁整体失稳时的自由长度，记Lc=α L，L为跨径。若α过大易发生整体失稳，过小则会增加工程数量及造价。因此有必要通过分析，优化侧向支撑的间距取值。

以25 m钢箱-混凝土组合梁桥模型为基础，分析不设侧向支撑，以及侧向支撑分别位于跨径L的1/2、1/3、1/4、1/6及1/12位置时，钢箱梁的临界荷载系数，如图7所示。分析结果表明：当侧向支撑间距较大时（α≥1/3），边梁发生纵向扭转整体失稳，且临界荷载系数随横联间距减小而增加；当间距较小时（α＜1/3），边梁外侧腹板发生局部失稳，临界荷载系数几乎不随横联间距发生变化；边箱梁的整体稳定性比中间箱梁差，因为边箱梁只有内侧腹板有横联支撑。

由分析结果可见，侧向支撑适宜布置在跨径的三分点或跨中部位，即α宜取1/3～1/2。当α大于该范围时，稳定性系数下降较快；而α小于该范围时，钢梁的稳定性增加有限。

4.2 局部稳定分析

开口钢箱在施工阶段的局部失稳，可能发生在腹板及翼缘部分；腹板处于弯、剪、压联合作用下的复杂应力状态，而翼缘处于较高的压应力状态下［6-8］。上口平联连接开口钢箱两边翼缘，对开口钢箱腹板有约束作用，且平联与翼缘连接施工方便，因此，这里重点分析平联间距对钢梁腹板局部稳定的影响。

图7 横联间距参数分析结果图

（1）上口平联间距的影响分析

上口平联构造如图8所示，平联三角形节间长度与钢箱上口宽度的比值（β=Lt/Wt），可度量平联斜杆与钢箱翼缘夹角（θ）的大小，反映对钢箱上口的侧向支撑程度。若保持上口宽Wt=1.8 m不变，分析平联间距Lt=4 m、5 m、10 m、16 m、25 m及不设平联时临界荷载系数λ的变化情况。参数β对应的值为2、3.02、6.04、10、15.62及∞。屈曲分析结果如图9所示。

图8 平联参数

图9 参数β分析结果

结果表明，当β等于2或3.02时，钢箱边梁发生翼缘板局部失稳；当β等于6.04、10及∞时，钢箱梁均发生边梁腹板整体失稳；而β等于15.62时，由于平联杆件长细比过大导致平联杆件失稳；钢箱梁临界荷载系数整体上随间距增大而减小，但间距大到一定程度时，会发生平联杆件先于腹板局部失稳的现象。根据临界荷载系数变化图可知，平联节间长度与箱梁开口宽度之比β宜小于6。

（2）翼缘宽度的影响分析

在施工阶段，由于开口钢箱的受压上翼缘缺少桥面板的约束，需要对翼缘的局部稳定性进行计算［9］。钢梁翼缘的局部稳定性与翼缘宽厚比bf/tf密切相关，其上翼缘构造尺寸如图10所示。

图10 上翼缘构造

对翼缘宽厚比bf/tf进行参数分析，结果如下：当翼缘宽厚比bf/tf≤12时，腹板会发生如图11（a）所示的倾覆失稳，临界荷载系数随宽厚比增大而增加。而当翼缘宽厚比bf/tf＞12时，翼缘发生如图11（b）所示的局部失稳，临界荷载系数随宽厚比增大而减小。同时发现，翼缘宽厚比在12～17范围内时，开口钢箱的稳定系数最高。临界荷载系数与翼缘宽厚比关系如图12所示。

图11 不同宽度翼缘失稳模态

图12 临界荷载系数λ与翼缘宽厚比bf/tf关系图

可见，翼缘板过窄，开口钢箱的强轴惯性矩小，容易引起侧倾整体失稳；翼缘板过宽，翼缘板的自由长度相应增大，局部屈曲成为控制条件。

结合钢桥规范的构造规定，受压翼缘板的自由伸出肢宽不应大于倍的板厚［10］。对于采用Q345钢材的桥梁，即要求bf/tf≤12。同时，钢梁上翼缘布置有集簇式栓钉，垂直于梁轴向的栓钉间距及距翼缘边的间距均有规范限值［11］，bf/tf≥7一般能满足布置栓钉的翼缘宽度要求。结合图13可知，bf/tf≥7时钢梁稳定系数较高，开口钢箱的稳定性能得到保证。因此，为同时符合集簇式栓钉布置尺寸和我国现行规范要求，推荐翼缘宽厚比的合理取值范围为7≤bf/tf≤12。

5 结论

钢箱-混凝土板组合梁桥施工中的单片开口钢箱，以及并列放置的多片开口钢箱，其总体与局部稳定均可能成为控制设计的因素。研究表明：

（1）在单片开口钢箱的顶面设置单斜撑式，提高稳定性的效率较高；设置X撑式平联虽可以进一步提高稳定性，但构造相对复杂。

（2）单片开口钢箱顶面的平联间距对边梁腹板的局部稳定影响较大，平联节间长度与箱梁开口宽度之比β宜小于3。

（3）箱梁间侧向横撑对提高施工期结构整体稳定性十分重要，侧向横撑的合理间距范围是1/3L0～1/2L0。

（4）为保证钢箱梁上翼缘的局部稳定性，在满足栓钉布置尺寸及现行规范宽厚比限值的基础上，推荐翼缘宽厚比的合理取值范围为7≤bf/tf≤12。

［1］D. R. Popp，E. B. Williamson. Stability Analysis of Stee Trapezoidal Box-Girder Bridges［C］∥ Structures Congress，2005：1-10.

［2］B S Chen. Top-Lateral Bracing Systems for Trapezoidal Steel Box-Girder Bridges［D］. Austin： The University of Texas,2002.

［3］Brian S. Chen，Joseph A. Yura，Karl H Frank. Top Lateral Bracing of Steel U-Shaped Girders［R］. Austin：Texsas Department of Transportation，2002.

［4］D. J. Corr，D. M. McCann，B. M. McDonald. Lessons Learned from Marcy Bridge Collapse［C］∥ Forensic Engineering Congress 2009：395-403.

［5］ K Kim，H Y Chai. Brace Forces in Steel Box Girders with Single Diagonal Lateral Bracing Systems［J］. Journal of Structural Engineering，2006，132（8）：1212-1222.

［6］樊健生，聂建国，吴道闻.钢-混凝土组合梁弹性屈曲的力学性能［J］.清华大学学报(自然科学版)，2004（6）：786-788.

［7］李兴.钢-混凝土组合梁稳定性研究［D］.长沙：中南大学，2007.

［8］袁梅.钢-混凝土组合梁的横向正应力和整体稳定性研究［D］.南京：河海大学，2005.

［9］聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［10］JTJ D64—2015公路钢结构桥梁设计规范［S］.

［11］GB50917—2013钢-混凝土组合桥梁设计规范［S］.

Stability Analysis of Tub Girder for Erection Phase of Steel Box-Concrete Composite Bridges

Xing Yuan1, Tian Fei2, Chen Yaosan1, Liu Zhao2
（1. Huahui Engineering Design Group Co. Ltd, Shaoxing 312000, China; 2. Southeast University, Nanjing 210096, China）

Steel box-concrete composite girder bridges are characterized by their light weight and rapid construction. However, the stability of tub girders can be critical during erection before tub girder and concrete deck being composited. Based on a fulldepth decked bridge with 25 m span length, the global and local stability in the unfavorable construction stage is analyzed based on 3D models. The results indicate that single diagonal bracing between top flages can increase the lateral-tortional stability of tub girder significantly. The spacing of cross frames should be designated between 1/3L0and 1/2L0in order to ensure the global staibility of steel tub. The local stability of the web can be satisfied, as the ratio of joint spacing of lateral bracing to top width of steel tub (β) is less than 6. And the local stability of top flage can be guaranteed when the ratio of flage's width to thickness (bf/tf) ranges from 7 to 12.

steel box-concrete composite girder bridges; tub steel girder; stability; parameter analysis

U448.21+6

A

1672-9889（2016）06-0055-04

2016-02-15）

邢渊（1969-），男，浙江嵊州人，高级工程师，主要从事公路及城市道路桥梁的设计工作。