大跨度波形钢腹板组合梁桥横隔板优化分析

史爱红

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

大跨度波形钢腹板箱梁与同等跨度预应力混凝土箱梁相比，腹板刚度小，整体扭转刚度也较小，箱梁整体容易失稳。为了保证波形钢腹板组合箱梁具有足够的扭转刚度并能实现体外预应力转向，需设置适当数量的横隔板[1]。但若横隔板数量过多，不仅增加梁体自重，给施工带来困难，还会失去比混凝土箱梁重量轻的优势；若横隔板数量较少，预应力布设较困难，箱梁整体的稳定性也不易保证。在已建桥梁中，横隔板间距在9～29m之间。横隔板不仅影响结构的抗弯、抗扭性能，也会影响结构的动力特性[2]。因此，对波形钢腹板组合梁桥横隔板的布设进行优化分析十分必要。

1 桥梁设计方案

某高速公路大桥位于甘肃省境内，桥址区地震动峰值加速度0.20 g，为跨越黄土冲沟的大跨度桥梁[3]。考虑到地质条件较差、抗震要求较高，经过桥梁方案对比分析，推荐采用波形钢腹板预应力混凝土刚构-连续箱梁设计。桥梁跨径布置为（58+3×100+58）m，桥梁分幅设置，单幅宽12m；桥墩采用箱型薄壁墩，最大桥高86m，如图1所示。

主梁单幅采用单箱单室截面，箱梁顶底板平行布置，波形钢腹板垂直布置，箱梁顶宽为12m，底板宽度为6m。梁高和底板厚均采用二次抛物线规律由跨中向根部变化；跨中梁高3.2m，底板厚0.25m，根部梁高6.8m，底板厚0.8m。箱梁翼缘悬臂3m，悬臂端厚度0.2m，悬臂根部厚度0.7m，主梁典型横断面如图2所示。

2 横隔板优化分析

2.1 全桥有限元模型

采用有限元软件MIDAS对波形钢腹板组合箱梁的力学性能进行分析。箱梁顶板、底板、钢腹板及横隔板采用空间板单元模拟，薄壁墩、箱型墩均采用板单元模拟，0、1号块采用实体单元模拟。桥台、1号和4号桥墩墩顶处梁体可纵向自由活动，横向按刚性约束考虑；2、3号墩与梁体固结，桥墩底部固结，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

通过改变波形钢腹板组合箱梁横隔板数量，计算结构扭转频率、箱梁应力。通过刚度及应力的变化，研究横隔板对结构力学性能的影响规律。横隔板设置方式具体如下：

（1）全桥不设置横隔板；

（2）横隔板间距约30m，中跨设2道横隔板；

（3）横隔板间距约14m，中跨设6道横隔板；

（4）横隔板间距约9m，中跨设10道横隔板；

（5）横隔板间距约6.7 m，中跨设14道横隔板。

2.2 横隔板优化分析

（1）横隔板对扭转刚度的影响

利用有限元模型分析横隔板设置的五种情况，其模态分析结果如图4所示。可知随着横隔板数量的增加，波形钢腹板组合箱梁扭转频率逐渐增加，当横隔板数量超过6道时，扭转频率增加幅度降低。结合造价、施工难度及刚度影响等因素综合考虑得出，设置6～8道横隔板较为适宜，横隔板间距宜为10～15m。

图4 横隔板数量-扭转频率图

（2）横隔板对箱梁翘曲应力的影响

根据薄壁箱梁理论，横隔板可以有效限制箱梁翘曲变形，减小箱梁翘曲应力[4]。利用有限元模型分析横隔板设置的五种情况，考虑约束扭转效应和剪力滞效应，在恒载、偏心活载作用下五种横隔板设置方式的箱梁顶、底板截面峰值应力沿桥长分布情况分别如图5、图6所示。

图5 箱梁顶板上缘正应力分布

图6 箱梁底板下缘正应力分布

由图5、图6可见，随着横隔板数量的增加，顶板、底板峰值应力逐渐减小，箱梁翘曲应力逐渐减小，但效果并不明显。这表明增多横隔板数量能够提高箱梁整体刚度，也可在一定程度上减小翘曲变形和翘曲应力。

3 横隔板优化设计

本桥采用单室波形钢腹板组合箱梁，根部梁高为6.8m，支点梁高为3.2m，波形钢腹板厚度为12～20 cm，底板厚25 cm。根据对刚度、应力等方面的研究，结果认为横隔板间距宜为10～15m，本桥箱梁横隔板间距取12m，横隔板厚50 cm，主梁及横隔板布置如图7、图8所示。

图7 波形钢腹板组合箱梁构造（单位：m）

图8 波形钢腹板组合箱梁横隔板局部放大图（单位：cm）

4 结语

本文结合工程实例，通过改变波形钢腹板组合箱梁横隔板数量，计算结构扭转频率、箱梁应力；通过刚度及应力的变化，研究横隔板对结构力学性能的影响规律，为将来该类桥梁的设计提供借鉴和参考。

（1）随着设置横隔板数量的增加，波形钢腹板组合箱梁扭转频率逐渐增加。根据研究结果，得出横隔板间距宜为10～15m。

（2）表明横隔板数量的增多能够提高箱梁整体刚度，顶板、底板峰值应力逐渐减小，并一定程度上减小了箱梁的翘曲应变和翘曲应力。

（3）根据上述研究成果确定了优化后的横隔板间距设计。