钢箱梁参数对横向内力的影响分析

钢箱梁参数对横向内力的影响分析

张万文

中铁西北科学研究院有限公司 ，甘肃 兰州 730070

摘要:本文以单箱单室钢箱梁为研究对象，在竖向偏心均布荷载作用下，建立有限元模型，钢箱梁的横向弯矩进行参数分析。研究可得：顶板横向弯矩，随着偏心距离的增加而减小，当偏心距离为零 即荷载作用于顶板中心时，顶板各点的横向弯矩最大；钢箱梁各板件的变化对截面横向内力的影响相对较小；钢箱梁的横向弯矩随跨度的增加而减小，跨度越大，横向弯矩值越小。利用研究发现的规律，对今后单箱单室钢箱梁设计及施工建造时面临的问题，提出该注意采取的构造措施及设计要点。

关键词:单箱单室钢箱梁;横向内力;有限元

引言

钢箱梁以其相对于混凝土箱梁在自重和抗风性能的优势，被广泛用于如今的桥梁建设中。钢箱梁的主要优点有以下几点^[2-4]：结构自重轻，桥梁跨度的跨越能力强。对于大跨度的桥梁，可以大大减轻结构的自重；抗扭、抗弯刚度大。钢箱梁截面形式为闭合的空心截面，在材料一定的情况下，相对与混凝土截面可提供更大的抗弯和抗扭刚度^[5]；抗风稳定性较好。。

针对国内外对钢箱梁横向内力研究现状及存在的问题，本文以单箱单室钢箱梁为研究对象，依据有限元软件，通过数值分析可以详细地探讨在荷载作用下，单箱单室钢箱梁的横向内力的分布规律。

1 截面材料及几何参数

依据某实际桥梁结构设计图，本文算例所取钢箱梁为单箱单室斜腹板形式，跨径取为L=30 m，，均布荷载取为q=10kN/m。其横截面如图1和图2所示。图1为不考虑横隔板的截面，其中，宽度取值分别为b₁=2.5 m，d=1 m，c=2.0 m；上翼缘板厚度取为20 mm，截面高度设置为h=1.8 m，腹板的厚度取值为28 mm，底板厚度为24 mm。图2为设置有横隔板时的横截面布置示意图，横隔板人洞的宽度取为b₂=0.7m，高度取为h₁=1.0 m。

图 1 钢箱梁横截面

图 2 横隔板布置图

本文采用ANSYS中shell63壳单元建立空间有限元分析模型，该单元也称为4节点弹性壳单元，是具有弯曲和膜特性的单元，单元的每个节点有6个自由度，可以承受的荷载类型为竖向以及法线方向的荷载，有效地模拟钢箱梁的实际受力状态及应力分布规律。

2 荷载偏心位置的影响

为研究作用于箱梁截面的荷载偏心位置对钢箱梁横向内力的影响，保证其它参数不变的前提下，通过改变荷载的偏心距离d来研究其变化规律，本文以偏心距离从0即顶板中心以步长为0.4m增加到2m，如图3示出了钢箱梁关键角点及荷载作用点F的横向弯矩随着偏心距离d变化的曲线。

图 3 各关键点横向弯矩值

由图3可知，随着荷载偏心距离增加顶板角点B、荷载作用点F的横向弯矩值迅速减小，而顶板角点A的横向弯矩则先缓慢的增加然后迅速减小。当荷载偏心距离约为0.6m时A点的横向弯矩峰值达到最大值，随着d的继续增加横向弯矩逐渐减小。底板角点C横向弯矩随着d的增加先缓慢增加然后再缓慢减小，底板角点D点横向弯矩先缓慢减小然后再缓慢增加。综上所述，顶板横向弯矩，随着偏心距离的增加而减小，当偏心距离为零 即荷载作用于顶板中心时，顶板各点的横向弯矩最大。底板的横向弯矩受荷载偏心距离的影响较小变化不大。

3 高宽比的影响

为分析钢箱梁的梁高变化对横向弯矩的影响，在保持钢箱梁各板件厚度、跨度、荷载作用位置不变。以箱室顶板宽度5m不变，改变梁高h，以0.5m的增幅从1m增加到5m，图4示出了跨中截面各关键角点及荷载作用点横向弯矩值随高宽比的变化曲线。

图4各关键角点横向弯矩值

箱梁顶板角点A、B与底板远离荷载作用侧角点C的横向弯矩值都随高宽比h/b的增大而减小。当高宽比h/b大于0.9时趋于稳定。底板靠近荷载侧的角点D点及荷载作用点F的横向弯矩值随h/b的增大而增大，且D点增大的趋势由快变慢。

4 高跨比的影响

为研究钢箱梁跨度变化对横向弯矩的影响，保持箱梁板宽度，梁高、底板宽度及荷载的作用位置不变，通过改变跨度L的长度，L从26m以增幅为1m增加到35m，即高跨比h/L从0.008以步长为0.001增加到0.016来研究各关键点的横向弯矩的变化规律，图5示出了各关键点横向弯矩随钢箱梁跨度变化的变化规律。

图 5各关键点横向弯矩值

钢箱梁跨中截面顶板角点A、B，底板角点C、D，偏载作用点的横向弯矩值都随高跨比h/L增大而增大，且A、B、C增加幅度逐渐加快，而底板的变化幅度很小。综上所述可知，钢箱梁的横向弯矩随跨度的增加而减小，跨度越大，横向弯矩值越小。

5 结束语

对于单箱单室钢箱梁，在荷载作用下，顶板横向弯矩，随着偏心距离的增加而减小，当偏心距离为零 即荷载作用于顶板中心时，顶板各点的横向弯矩最大。底板的横向弯矩受荷载偏心距离的影响较小变化不大；钢箱梁的横向弯矩随跨度的增加而减小，跨度越大，横向弯矩值越小。

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作者简介:张万文(1995-),男，助理工程师,硕士研究生,主要研究方向为桥梁结构设计理论.