胡國棟 梅霄云

摘要 文章介紹了（6.42+47.4+6.42）m簡支寬箱鋼箱梁橋的設計方案。利用Midas Civil軟件建立了全橋單梁模型和梁格模型，同時建立板單元模型對梁格模型進行了驗證。進行了承載能力極限狀態(tài)主梁體系驗算，對比了縱梁不同梁高和板厚條件下的受力情況，分析了寬箱鋼箱梁單梁模型、梁格模型和板單元模型的計算結果。

關鍵詞 寬箱鋼箱梁；單梁模型；梁格模型；板單元模型；主梁體系驗算

中圖分類號 U441.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0071-04

0 引言

隨著現代城市的高速發(fā)展，城市橋梁在設計中既要滿足通行功能，還應保證與所在地區(qū)自然景觀、人文環(huán)境等相協(xié)調，鋼箱梁橋以其抗拉強度高、自重小、跨越能力大、施工期限短等優(yōu)勢而備受青睞^[1]。為滿足交通流量日益增大的需要，城市立交橋梁也開始廣泛采用長懸臂寬箱梁斷面，這種結構形式受力極其復雜，且表現出較大的空間變形和受力特性^[2]。同時，由于橋面寬度較大，橋面板應力分布不均勻，常規(guī)梁理論無法精確分析其力學特性。因此，采用板單元模型對梁單元模型的計算結果進行驗算是極其必要的^[3-4]。

該文通過對（6.42+47.4+6.42）m簡支寬箱鋼箱梁上部結構分別建立單梁、梁格模型進行受力分析，并建立板單元模型對梁格模型的計算結果進行了驗證，還對比了不同梁高和板厚情況下梁格模型的計算結果，以期為今后鋼箱梁的設計與施工提供參考。

1 工程概況

該工程方案橋梁全長61.34 m，為跨徑（6.42+47.4+6.42）m簡支鋼箱梁，主梁梁端設置牛腿，布置跨徑4.5 m鋼板梁連接鋼箱梁與地下空間頂板道路。橋梁正交布置整幅設計，橋面總寬47 m。簡支鋼箱梁采用單箱八室直腹板截面，梁頂標準寬4 700 cm，梁底標準寬4 000 cm，梁高192 cm；箱梁懸臂板長350 cm，懸臂厚度一次變化，端部厚32 cm，根部厚80 cm。箱梁頂面設置1.5%橫坡，人行道設置2%單向反坡。橋面鋪裝采用7 cm瀝青混凝土+8 cm鋼纖維混凝土，橋面鋪裝總厚度15 cm。鋼箱梁標準斷面見圖1。

2 設計思路

結合該橋路段的實際情況，道路紅線寬度60 m，橋梁上跨河道，下方地下二層為軌道交通，根據軌道交通限界要求，橋墩不得侵入道地下空間范圍內，同時根據河道斷面形式，該工程方案定為跨徑（6.42+47.4+6.42）m簡支梁，橋梁樁基承臺隨地下空間一并預埋施工。橋梁位置處橫斷面左右側去掉綠化帶，橫向布置為47 m=7 m（人行道）+2.5 m（非機動車道）+1.5 m（機非分隔帶）+11.5 m（機動車道）+2 m（中央分隔帶）+11.5 m（機動車道）+1.5 m（機非分隔帶）+2.5 m（非機動車道）+7 m（人行道），橋面寬度較大，且采用寬箱大橫梁（長52.4 m×寬3.8 m×高4.92 m），橫向空間效應突出，單梁模型無法明確反映出邊、中梁的受力差異，故采用梁格模型進行分析。同時，通過改變縱梁的梁高和板厚，探討二者對體系受力的影響程度。

利用Midas Civil 2019軟件，分別建立單梁模型（見圖2）、梁格模型（見圖3）和板單元模型（見圖4）。模型中單元的幾何特性、邊界條件與實際結構保持一致。根據實際施工流程進行模擬計算分析。

3 縱梁梁高及板厚對鋼梁空間受力影響分析

3.1 縱梁梁高對體系空間受力的影響

單梁模型1.92 m梁高內力計算結果見表1。

梁格模型內力計算結果見圖5～6。

對比各模型的內力計算結果，可以得出如下結論：

（1）通過梁格法的計算結果可以看出，由于端橫梁長度較大，荷載作用下產生豎向變形，導致中梁卸載，最中間梁彎矩及剪力最小，往邊梁依次增加，體系空間效應顯著。

（2）梁格模型1.92 m梁高9片縱梁彎矩疊加值為255 556 kN·m，與單梁模型相差1.67%；剪力疊加值23 654 kN，與單梁模型相差7.5%。二者受力情況接近，且與已有成熟的箱梁橋受力特性相符，可見兩種方法都較好地模擬了實際工程的受力情況。

（3）在梁格模型梁高分別為1.92 m、2.2 m、2.5 m三種情況下，隨著梁高的增加，跨中彎矩與支點剪力也逐漸增大。2號次邊梁與5號中梁彎矩值分別相差10 990、12 893、14 976，幅度越來越大；1號邊梁與5號中梁剪力比分別為2.23、2.68、3.28，可知一味增加梁高并不利于此結構受力，故最終取梁高1.92 m較為經濟合理，此時梁高約為跨度的1/25。

3.2 縱梁板厚對體系空間受力的影響

單梁模型1.92 m梁高計算結果見表2。

不同梁高下梁格模型計算結果：

全橋共9片梁，該橋為對稱結構，表中僅列出5片梁計算結果見表3（1號為邊梁，2號為次邊梁，3～5號為中梁）。

根據計算結果可以看出，1號邊梁和2號次邊梁所受拉、壓應力最大，可知該體系主要為邊梁受力，為進一步驗證，取3～5號中梁不同板厚情況進行分析見表4。

通過分析各模型不同梁高、板厚的應力計算結果可得出以下結論：

（1）對比單梁模型和梁格模型的應力計算結果可知，以梁格模型的計算結果為基準，單梁模型上緣壓應力計算結果與梁格模型1.92 m、2.2 m、2.5 m梁高計算結果最大值分別相差12%、0%、10%，單梁模型下緣拉應力計算結果與梁格模型1.92 m、2.2 m、2.5 m梁高計算結果最大值分別相差21%、11%、3%，且均滿足規(guī)范要求。

（2）通過梁格模型不同梁高的計算結果可以看出，隨著梁高的增大，主梁上、下緣拉、壓應力值均逐漸減小，說明梁高的取值對體系的應力影響顯著，設計中應結合規(guī)范取值、經濟適用等要求，合理地選取梁高。

（3）通過比較梁格模型縱梁不同板厚的計算結果可以看出，隨著中梁板厚的增大，主梁上、下緣拉、壓最大應力值無明顯改變，說明由于端橫梁長度較大，荷載作用下產生豎向變形，導致中梁卸載，最中間梁上、下緣應力均最小，往邊梁依次增加，該體系主要為邊梁受力，增加中梁腹板及底板厚度對體系受力改善不明顯，設計中應結合實際情況，對邊梁、中梁的板厚進行不同取值，不但符合實際受力情況，而且節(jié)省了施工成本。

4 體系橫向空間效應分析

考慮梁格模型實際為簡化算法，存在一定的設計假定，建立板單元模型對梁格模型計算結果進行驗證。

4.1 板單元應力計算結果

頂板正應力計算結果見圖7。

底板正應力計算結果見圖8。

板單元模型頂板基本組合最大正應力為142 MPa，底板基本組合最大正應力為185 MPa。

4.2 單梁模型、梁格模型、板單元模型計算結果對比分析

以1.92 m梁高的梁格模型為基準，各計算結果對比見表5。

通過以上表格可以看出，板單元模型與梁格模型1.92 m梁高計算結果相比：頂板應力相差3%；底板應力相差9%；邊中梁剪力比相差6%；恒載位移相差0%；活載位移相差14%；標準組合反力值相差0%。二者計算結果基本吻合，都很好地模擬了該體系的空間受力情況。

5 結語

該文通過介紹（6.42+47.4+6.42）m簡支寬箱鋼箱梁橋的設計方案，利用Midas Civil軟件建立了全橋單梁模型、梁格模型和板單元模型。通過對比計算結果可得出以下結論：

（1）寬箱鋼箱梁橋的橫向空間效應較為明顯，雖然單梁法能粗略模擬結構的受力特性，但是無法明確反映寬箱鋼箱梁橋的橫向分布關系。梁格法是橋梁結構空間分析的一種有效方法，其計算結果更好地反映了寬箱鋼箱梁橋的橫向分布關系和受力特性。因此，針對寬箱鋼箱梁橋，選用梁格模型時計算結果更為合理，也更便于根據不同梁段的受力特性進行截面優(yōu)化設計。

（2）寬箱鋼箱梁橋隨著梁高的增加，跨中彎矩與支點剪力也逐漸增大。但是一味增加梁高并不利于此結構受力，設計中應結合實際情況，選用合適的梁高，避免浪費。

（3）對于端橫梁長度較大的寬箱鋼箱梁結構，應注意在荷載作用下，結構產生豎向變形，會導致中梁卸載，最中間梁上、下緣應力均最小，往邊梁依次增加，該體系主要為邊梁受力，增加中梁腹板及底板厚度對體系受力改善不明顯，設計中應結合實際情況，對邊梁、中梁的板厚進行不同取值，不但符合實際受力情況，而且節(jié)省了施工成本。

參考文獻

[1]吳沖. 現代鋼橋（上冊）[M]. 北京：人民交通出版社， 2006.

[2]高丕勤， 王小松. 頂板橫向預應力作用下寬箱梁空間效應分析[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2012（S1）： 668-671.

[3]熊禮鵬. 寬箱連續(xù)鋼箱梁橋支點橫梁空間受力分析[J]. 交通科技， 2014（2）： 1-3.

[4]胡志禮. 橫向大懸臂鋼箱梁橋力學性能分析[J]. 城市道橋與防洪， 2013（2）： 34-36+8.

收稿日期：2023-12-15

作者簡介：胡國棟（1991—），男，碩士研究生，工程師，從事橋梁設計工作。