横隔板布置对不同斜交角度简支钢箱梁受力影响分析

吴 岩

（中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

1 工程背景

文章以湖南省长沙市某市政桥梁工程为背景，桥梁标准跨径50m，为避免桥台设置占用桥下道路，拟建桥梁设置为斜交，桥梁横向布置为0.5m（栏杆）+4m（人非机动车道）+12.5m车行道+4m（人非机动车道）+0.5m（栏杆）=21.5m。

上部结构采用简支钢箱梁，单箱七室等高截面，梁高取2.2m，为跨径的1/23，悬臂长2.0m；箱梁顶板、底板及腹板厚均为16mm，顶板U型肋厚8mm，顶板及腹板Ⅰ型纵向肋厚10mm；底板T字肋的腹板及翼缘厚分别为10mm、12mm，箱梁每隔2.5m设置一道横隔板，横隔板钢板厚20mm；腹板间距2.5m，典型横断面见图1。横桥向设置4个支座，支座沿道路法向中心距4.5m。

2 钢箱梁受力状态

钢箱梁作为薄壁结构，其最终受力及变形将产生对称弯曲、扭转、畸变和横向弯曲四种状态。对称弯曲产生竖向位移，并在横截面上产生纵向正应力；当箱梁受扭时，截面各纤维在顺桥向自由变形，即为自由扭转，只产生剪应力，变形受到限制即为约束扭转，产生翘曲正应力和剪应力；畸变会引起翘曲正应力和畸变剪应力及横向弯曲应力；横向弯曲则产生横向弯曲正应力。由于钢箱梁横隔板面外刚度较小，故扭转分析不考虑横隔板影响，单室箱梁横隔板对钢箱梁的畸变、横向弯曲、对称弯曲有较大影响。

3 横隔板布置方式

横隔板采用正交、斜交、扇形布置三种布置形式，虽然斜交桥梁横隔板正交布置有利于施工，但当斜交角逐渐增大时，在平面锐角三角区域将会不可避免地设置部分横桥向非连续横隔板，部分短横隔板的设置对桥梁传力可能造成较大影响；若采用扇形布置，则需考虑横隔板纵桥向间距进行渐变处理。

桥梁桥面宽度21.5m，斜交横隔板平行于桥台，正交横隔板垂直于道路中心线，扇形横隔板根据斜交角度调整综合布置。其中，横隔板斜交、正交布置时标准间距2.5m，横隔板扇形布置时，斜交角15°桥梁横隔板间距在2.5～3.5m渐变，斜交角45°桥梁横隔板间距在1.35～3.5m渐变，桥梁横隔板平面布置形式见图2。

4 钢箱梁结构计算

4.1 有限元计算模型

图1 钢箱梁典型横断面图（单位：mm）

图2 横隔板布置形式示意图

上部结构计算采用Midas有限元计算软件，考虑该桥宽度较大，单梁模型难以满足结构受力计算分析的精度要求，且为了精确模拟横隔板及腹板的传力情况，采用梁格法建立空间有限元模型，箱梁横断面分为9个纵向梁格，梁格编号依次为1#～9#，其中包括7个实体梁格和2个虚拟纵向梁格，横向按横隔板布置方式设置横向连接系。针对15°、45°两种不同斜交角度桥梁，计算三种不同横隔板布置方式，建立6个有限元计算模型。

4.2 支座反力

恒载、活载标准值作用下，桥台支座反力情况对比见表1。

表1 支座反力 单位：kN

分析表1中的数据可知：对于15°斜交角钢箱梁，恒载作用下总支反力斜置＞正置＞扇形，这主要是三种布置方式横隔板自重的差异造成的。对于小斜交角钢箱梁，横隔板斜置时材料用量最大。对于45°斜交角钢箱梁，恒载作用下总支反力斜置＞扇形＞正置，与小角度钢梁支反力有所差别，这是由于斜交角度较大时，横隔板扇形布置间距在1.35～3.5m范围内变化，部分位置横隔板间距较密，且正交布置时有效节省了横隔板材料用量，因此导致扇形布置钢材用量稍大于正交布置。活载作用下，最不利总支座反力对于二种斜交角度均表现为斜置＞正置＞扇形，且在同一种横隔板布置情况下，随斜交角度的增加，活载最不利反力值增大；且横隔板正置，对活载作用下的支座反力表现更敏感，随斜交角的增大其支反力变化更大。

由以上分析可知：无论对于哪种斜交角度桥梁，横隔板斜置时，其材料用量及活载作用下的支座反力均表现为最大。对于斜交角较小的钢箱梁，可通过适当调整横隔板间距的扇形布置，达到材料更节省和活载作用下的最不利支座反力最小的效果。随着桥梁斜交角的增大，扇形布置的材料用料逐渐超过正交布置，且存在部分横隔板布置间距较密，不利于施工的情况。

4.3 弯矩

根据计算结果分析，取基本组合作用下最不利受力3号梁格进行对比，荷载设计值作用下主梁纵向弯矩情况对比见图3。

图3 主梁纵向弯矩图

对于同一斜交角度简支钢箱梁纵向弯矩值大小均表现为斜置＞扇形布置＞正置，横隔板斜置时，随着斜交角的增大，桥梁纵向弯矩值增大；横隔板正向布置时，随着斜交角的增大，桥梁纵向弯矩值反而减小，这是由于同样间距布置的横隔板随斜交角度增大其材料自重大大减少，反而有利于减小结构纵向弯矩。横隔板扇形布置时，由于横隔板间距的不一致，随着斜交角的变化桥梁纵向弯矩值体现的差异不明显。随着斜交角的增大，桥梁纵向弯矩值增大。分析可知：横隔板正置情况下，纵梁内力最小，在桥梁斜交角较小时，扇形布置与正置内力差别不大，随着桥梁斜交角的增加，横隔板正交布置对结构的纵向弯矩的有利影响更加凸显。

4.4 位移

根据计算结果分析，活载作用下，变形最大梁格组位于梁边的1号梁格，活载标准值作用下主梁竖向位移情况对比见图4。

图4 主梁竖向挠度图

由对比图可知，活载作用下竖向挠度值大小均为斜置＞扇形布置＞正置，随着斜交角度的增大，正交布置时活载作用下竖向挠度降低较明显，且45°斜交角钢箱梁正交布置时，横隔板材料用量相对其他布置方式较为节省，自重明显减轻，而横隔板的间距未变，使其恒载挠度明显降低。

4.5 纵向应力

根据计算结果分析，取标准组合作用下最不利受力2号梁格进行纵向应力对比，荷载标准值作用下，最不利组合主梁纵向应力情况对比见图5。

图5 主梁纵向应力图

标准组合作用下最不利纵向应力值大小。斜交角为15°时，斜置＞扇形布置＞正置；斜交角为45°时，斜置＞正置＞扇形布置，这是由于斜交角为45°且钢箱梁横隔板扇形布置时，部分横隔板间距设置为1.35m，导致扇形布置时纵向最大应力小于正交布置；横隔板斜交布置时主梁纵向应力明显较其他两种横隔板布置方式大。

4.6 横向向应力

对比分析支座处横隔板应力，取标准组合作用下最不利组合横向应力情况对比见图6。横隔板应力均表现为斜置＞扇形布置＞正置，无论桥梁斜交角度无关；且随着斜交角度的增大，正交布置时不可避免地出现桥梁锐角处的横隔板非连续布置，从而使横隔板应力的离散性变大，易出现应力突变点。随着桥梁斜交角的增大，横隔板应力相对增大。

5 结论

（1）对于同等跨径、宽度及板厚设置情况下，小斜交角度简支钢箱梁桥的材料用量：斜置＞正置＞扇形；通过大部分横隔板设置为正交，桥梁锐角一定范围内设置扇形横隔板，可在一定程度上节省钢材用量；随着斜交角度的增大，横隔板扇形布置对材料的节省优势丧失。

（2）横隔板的布置方式对简支斜交钢箱梁的影响主要体现在其刚度与布置间距上，在横隔板布置形式相同的情况下，随着简支钢箱梁桥斜交角度的增大，桥梁的内力、应力均往更不利方向发展，且横隔板正交布置时，随着其自重的减少，活载作用下竖向挠度降低较为显著。

（3）对于斜交简支钢箱梁桥，无论从材料用量、结构受力，还是施工便利性角度分析，横隔板斜交布置在方案比选中均处于劣势。

图6 支座横隔板应力图

（4）对于斜交简支钢箱梁桥，横隔板正交布置相较于扇形布置，其结构挠度、内力、应力整体较好，且横隔板正交布置较有利于施工，在小斜交角度桥梁范围内，其优势明显；随着桥梁斜交角的增大，虽然正交布置相对较大节省材料用量，但由于其支座位置附近横隔板的不连续布置，存在不可避免地导致部分应力集中点，若采用横隔板正交布置，需对桥梁锐角部位设置局部加劲肋补强，或在锐角区域设置部分扇形横隔板以改善其受力。