钢箱梁局部稳定计算与横隔板受力研究.pdf

第35卷第2 期2023年6 月D01:10.3969/j.issn.1008-7109.2023.02.003宁波工程学院学报JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.35No.2Jun.2023钢箱梁局部稳定计算与横隔板受力研究梅红蕾，王飞，赵卓，马伯翰（宁波工程学院浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心，浙江宁波31 52 1 1)摘要：针对截面形式和构造复杂的正交异性钢箱梁，采用数值仿真与模型试验的方法，对钢箱梁的局部稳定与横隔板受力开展分析与研究。研究结果表明：在1 0 0 MPa轴压荷载作用下，主梁梁段处于弹性阶段，横隔板基本处于受拉状态，试验与数值计算结果吻合良好；在进行第一类稳定线性分析时，横隔板在横桥向拉应力作用下发生屈曲失稳，第1 阶屈曲系数为-1.2 0 2，第38 0 阶为-5.1；模型试验失稳破坏时的轴向荷载为2 1 6 0 t，此时除横隔板外大部分板件已进入塑性状态，属材料强度破坏，表明钢箱梁设计合理，节段稳定性能良好。研究结果可以给薄壁钢箱梁的设计与施工提供参考。关键词：桥梁工程；钢箱梁；横隔板；数值仿真；模型试验；局部稳定中图分类号：U441文献标志码：A文章编号：1 0 0 8-7 1 0 9(2 0 2 3)0 2-0 0 1 3-0 6Local Stability Calculation of Steel Box Girder and Stress Analysis of DiaphragmMEI Honglei,WANG Fei,ZHAO Zhuo,MA Bohan(Zhejiang Engineering Technology Research Center of Civil Engineering Industrialized Construction,Ningbo University of Technology,Ningbo 315211,China)Abstracts:For orthotropic steel box beams with complex cross-sectional forms and structures,numerical simulation and model testing methods are used to analyze and study the local stability ofthe steel box beam and the forces acting on the diaphragm.The research results indicate that underan axial compressive load of 100 MPa,the main beam segment is in the elastic stage,and thetransverse diaphragm is basically in a tensile state.The experimental and numerical results are ingood agreement;When conducting the first type of stability linear analysis,the transverse diaphragmundergoes buckling instability under transverse tensile stress,with a first-order buckling coefficient of-1.202 and a 380 th order buckling coefficient of-5.1;The axial load during the instability andfailure of the model test is 2 160 tons.At this time,most of the plates,except for the diaphragm,have entered a plastic state,indicating material strength failure.This indicates that the design of thesteel box beam is reasonable and the stability of the segment can be good.The research results canprovide reference for the design and construction of thin-walled steel box beams.Keywords:bridge engineering;box girder;diaphragm;numerical simulation;model test;localbuckling收稿日期：2 0 2 2-1 2-0 2基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(LY23E080001)通信作者：王飞(1 98 9），男，河南许昌人，博士，副教授，主要从事钢结构桥梁稳定性研究，E-mail:修回日期：2 0 2 3-0 4-1 5140引言正交异性钢箱梁通常由桥面板（顶板）、底板、腹板、纵向加劲肋以及横隔板等几个部分组成。通过焊接工艺，顶底板、腹板和纵向加劲肋组合形成加劲板，提高整体结构刚度、承载力和压屈稳定性能 1-。较传统混凝土箱梁，钢箱梁结构自重小、建造精度及装配化集成度高、施工速度快，正交异性钢箱梁更兼具抗弯和抗扭刚度大、抗风性能好等诸多优点，为现代大跨度桥梁所广泛采用 49。但由于其属于薄壁结构，存在焊接残余应力与初始几何缺陷，导致其在轴力和弯矩作用下，结构的稳定问题比较突出 1 0-1 3。研究钢箱梁稳定问题的方法主要包括数值仿真与模型试验。王春江等7 通过多尺度数值模型，探究了整体、局部稳定问题及其相互影响规律。张为8 采用计人焊接残余应力和初始缺陷的数值方法验算了永定河大桥主桥钢箱梁高腹板的稳定性。赵秋等 2-1 3针对混合钢U肋加劲板受压力学性能和稳定承载力情况进行了探讨。李立峰等 开展了钢箱梁节段稳定试验，分析了局部失稳机理。WANG等 9-通过试验研究了钢箱梁的受力情况、传力规律和破坏特征。BAI等 45开展了带T肋的钢箱梁节段稳定试验，分析了模型屈曲特征。以上数值仿真的研究多集中在第二类稳定的非线性屈曲分析,且非线性参数的选取目前仍存在较大差异3-58 1-1 2,因此第一类稳定的线性分析仍具有一定的参考意义与实用价值。当前关于钢箱梁横隔板研究主要集中在疲劳损伤与焊接残余应力分布 1 41 6,而对于横隔板在钢箱梁受轴向荷载作用下的局部稳定与受力分析研究较少。本文依托宁波常洪大桥工程，采用数值模拟与模型试验的方法，对钢箱梁的局部稳定与横隔板受力开展分析研究工作，相关研究成果可为类似工程提供参考。1 工程概况1.1主桥的总体设计常洪大桥主桥采用自锚式悬索-斜拉协作体系，主跨布置为42 0 m，边跨采用1 50 m，边中跨比值为0.36，主桥全长8 2 0 m，跨径布置为：50 m+60m+90m+420m+75m+75m+50m。总体布置如图1 所示。主梁采用等截面钢箱梁，主梁全宽45m，横断面布置为：0.2 5m（栏杆)+2.5m（人行道)+0.2 5m（栏杆）+3.25m（锚索区）+0.5m（防撞墙）+1 5.5m（机动车道）)x2+0.5m（防撞墙）。横断面布置图如图2 所示。5050012410 x10.5-105宁波工程学院学报桥跨中心线IA8206090212,1010.5-1052023年第2 期4201682010.5-2101010.5-1052172L10 x10.3-105241S百丈东路一1.2主梁结构设计420m主跨及1 50 m边跨主梁采用带风嘴的扁平钢箱梁结构，梁高4.5m，标准段主梁全宽45m（不含风嘴），标准节段长度为1 0.5m，横隔板标准间距为3.5m。主梁顶板厚度为1 6 2 8 mm，纵向主要采用U型加劲肋加强。车行道U型加劲肋标准上口宽度30 0 mm，底宽1 8 0 mm，标准高度30 0 mm，厚8 mm。主梁底板厚度1 4 30 mm，车行道U型加劲肋下口宽40 0 mm，顶宽2 50 mm，高2 8 0 mm，厚6 mm。主梁标准段共4道腹板，两道中腹板的板厚为1 6 mm,采用U型加劲肋加强,U肋尺寸与底板相同。普通横隔板板厚均为1 2 mm,采用I型加劲肋加强。一永乐路最高通航水位3.2 7川IAL图1 桥梁总体布置立面图（单位：m）通航净宽1 50立面图1:2 50 0+梅红蕾，等：钢箱梁局部稳定计算与横隔板受力研究025 2.5 0.253.250.5人行道紫区防煮墙密闭透味窗通风透气窗1.3主梁梁段局部屈曲的研究对象钢箱梁三维板壳单元的屈曲分析对于有限单元划分的精度要求较高，对整个钢箱梁结构来进行屈曲分析需要划分单元较多,耗时长，且分析结果不够精确。综合考虑精度、效率和准确度等问题，在节段边界选取总体模型不变的情况下，本文取总体模型计算结果中受力不利的钢箱梁梁段作为研究对象，对其单元进一步加密划分后进行屈曲分析。主跨选取LZS5L Z S7 梁段，该梁段靠近主塔，位于斜拉索支承段，且顶底板较厚。根据主桥结构的总体分析结果，在成桥恒载作用下，这两个梁段截面近似呈均匀受压的状态，截面压应力达1 0 0 MPa左右,结构受力具有代表性，有利于仿真模型的建立与分析。2钢箱梁局部稳定计算分析2.1主梁梁段局部屈曲分析的计算模型选用大型通用有限元软件SAP2000，通过采用空间板壳单元建立主梁梁段局部模型。从总体空间梁单元模型中提取力或位移边界条件，进行对主梁梁段的局部屈曲分析。主梁梁段LZS5L Z S7,每个梁段各有三个节段，总长31.5m，主梁梁段的SAP2000计算模型见图3。(a)15设计道路中心钱15.5015机动车道防新墙个个3.5非机动车道15.5机动车道A-A1:200标准断面图2 主桥横断面布置图（单位：m）一均布荷载一约束条件(UX,UY,UZ)053.25 025 2.5 0.5什防撞墙索区人行道中中中小中小小本本本小本心3.5非机动车道(b)密阅透明窗通风透气窗(UX)I(UY.UZ)图3主梁梁段的SAP2000计算模型图：(a)模型三维透视图；(b)模型中的横隔板2.2主梁梁段恒载轴向效应作用下的屈曲分析通常情况下,压或者压、剪混合作用可以导致板件发生屈曲破坏，本文所选用的主梁节段取自于斜拉桥主体，根据斜拉桥受力特性，剪应力相对于压应力产生的屈曲影响可以忽略，纵桥向方向上主要由于受压而产生局部屈曲破坏。因此，主要研究主梁梁段恒载轴向效应作用下的局部屈曲。2.2.1模型边界条件根据常洪大桥整体计算分析结果，取主梁梁段边界上最不利位置作为应力输出点，如图4所示。考虑恒载、活载不同工况下各输出点的应力值，如表1 所示，其中应力负值表示压应力。163注：一截面边界上应力输出点；一截面边界下应力输出点；一截面跨中上应力输出点。图4应力输出点示意图由以上分析结果可知：活载工况下，主梁节段各点应力值较小，可以忽略。恒载工况下，主梁节段纵桥向两端边界截面的应力比较均匀，左边界截面的压应力较右边界截面略大且更稳定，接近1 0 0 MPa；考虑最不利受力及计算简便性，近似取压应力作用为1 0 0 MPa。SAP2000节段模型中，纵桥向两端边界增设虚梁单元，单元高度取板厚、宽度取0.5m，边界条件为一端固定、一端自由，由均布荷载提供的纵向压应力加在自由端截面(X=0)上，同时约束固定端截面(X=31.5m)上各个纵向单元节点的线位移。2.2.2SAP2000梁段模型屈曲分析结果采用特征值分析方法对上述SAP2000节段模型进行主梁梁段的局部屈曲分析，得到不同阶屈曲模态及屈曲系数，屈曲模态如图5所示。由节段模型的局部屈曲分析结果可以得到：在压应力为1 0 0 MPa的恒载工况作用下，一阶屈曲发生在节段模型X=3.5m的横隔板上，一阶屈曲系数-1.2 0 2,屈曲模态为横桥向（Y向）比较完整的3个半波、梁高方向（Z向）半个波；二阶、三阶、四阶屈曲模态与一阶相同，屈曲发生在X=0、X=7 m、X=1 0.5m、X=3.5m处的横隔板上,屈曲系数为-1.2 0 4、-1.2 2 1、-1.2 45,其绝对值为递增趋势；五阶之后的多阶屈曲均发生在横隔板上，屈曲模态发生变化但规律性不强，屈曲系数绝对值为递增趋势。在恒载工况压应力作用下，考虑截面的尺寸效应，纵桥向受力时横桥向存在一定的泊松效应。数值分析结果显示，横隔板横桥向受拉，拉应力大多在2 0 MPa以上，梁高方向存在拉、压应力且应力较小。因此,横隔板屈曲初步考虑是由于横桥向拉应力导致的，采用特征值法计算得到负的屈曲系数。关于屈曲系数是负数的分析：在边界截面均匀压应力作用下，考虑截面的尺寸效应，纵桥向受力时横桥向存在一定的泊松效应。数值分析结果显示，横隔板Y向（横桥向）受拉，拉应力大多在20MPa以上,Z向（梁高方向）存在拉、压应力且应力较小。因此，横隔板屈曲初步考虑是由于横桥向拉应力导致的。3横隔板在轴向荷载作用下的试验分析为进一步研究恒载工况轴向压应力作用下横隔板的受力情况，以常洪大桥为背景，按照1:4的比例尺设计缩尺模型进行试验研究。根据数值分析结果，缩尺模型实际制作时横桥向选取实际箱梁的中间箱室，制作过程中为保证结构受力合理、与主梁节段模型受力保持一致，对结构的尺寸和位置进行了局部微调，中箱缩尺模型截面如图6 所示。缩尺模型尺寸为1 0.5mx3.2mx1.1m，钢材采用Q345b。宁波工程学院学报表1 恒载及活载作用下各点的应力值应力/MPa截面位置荷载工况点1恒载-97.6LZS5左端活载恒载-88.4LZS7右端活载-11.0第1 阶第2 阶第4阶第5阶图5屈曲模态2023年第2 期点2点3-97.3-96.0-8.0-9.0-89.2-13.0第3阶第38 0 阶-31.0-78.1-25.0梅红蕾，等：钢箱梁局部稳定计算与横隔板受力研究173.200图6 中箱缩尺模型截面（单位：mm）试验加载采用一套同步加载装置，该装置采用共8 台50 0 t千斤顶（顶部4台，底部4台），理论可加载值为40 0 0 t（理论计算极限荷载约2 0 0 0 t），测试断面选取2 号、6 号和1 0 号箱室横隔板，试验整体布置及测试断面标识如图7 所示。断面测点布置见图8。在正式试验前应进行预加载，确保试验设备处于良好的工作状态，然后正式加载，逐级加载至钢梁模型破坏。10.500端部加强板豆2四氟滑板橡胶支座SH25555555JJ55555555左上50加载板千斤顶预应力钢棒34图7 试验整体布置与测试断面5SH66789SH1010普通橡胶支座1112右上左下试验所得的横隔板各断面荷载应变关系曲线如图9所示。由实验结果可知，轴向荷载作用下横隔板基本处于受拉状态。综合上节数值模拟结果得出，轴向荷载作用下横隔板处于受拉状态是由于泊松效应引起的；测点的拉应力值较小，但随着荷载增加，其拉应力值有增加趋势。25(a)20右下T1L图8 断面测点布置2525(6)20201515(NY.01)/囍15525(d)2015NY.OD/10一左上右上一左下+右下-2024应变/1 0 u506810一左上一右上+左下+右下一左上一右上一左下右下12-225(e)2015NY.O/#款0+左上右上+右下02应变/1 0 Fu46一左上一右上一左下右下-225()2015NY01/净1050-12应变/1 0 PuE3+左上右上一左下右下4-2024应变/OPuE图9不同方向荷载应变关系曲线：（a）SH 2-横向；(b）SH 2-纵向；(c)SH6-横向；（d）SH 6-纵向；(e）SH 1 0-横向；（f）SH 1 0-纵向681012024应变/1 0 me68101214-2024应变/0 u68101218在弹性阶段，钢箱梁并未发生屈曲失稳，最终失稳破坏发生在弹塑性阶段，失稳位置发生在底板和腹板，横隔板并未发生失稳，2 号箱室失稳破坏特征如图1 0 所示，这与前述分析结果相吻合。失稳破坏时的轴向荷载为2 1 6 0 t,此时钢箱梁模型中顶板平均应变达2 2 30 8，腹板平均应变达2 550 8,底板应变幅度变化较大，端部测点应变达40 0 0 6 6 0 0 8，除横隔板外已大部分板件进入塑性。4结论本文依托宁波常洪大桥工程，采用数值模拟与模型试验的方法，对钢箱梁的局部稳定与横隔板受力开展分析研究工作，主要得到以下结论：(1)在1 0 0 MPa轴压荷载作用下，横隔板基本处于受拉状态。表明横隔板的存在可以增大整个结构的刚度，提高结构在弹性阶段的稳定性能。(2)主梁梁段在进行第一类稳定分析时，各阶屈曲都发生在横隔板上，第1 阶屈曲系数为-1.2 0 2,第380阶为-5.1。横隔板屈曲是横桥向拉应力导致的。(3)模型试验失稳破坏发生在弹塑性阶段，失稳破坏时的轴向荷载为2 1 6 0 t,失稳特征为2 号箱室底板局部失稳。表明钢箱梁设计合理，节段稳定性能良好。参考文献：1】李立峰，邵旭东，易伟建，等扁平钢箱梁局部稳定模型试验 J中国公路学报，2 0 0 7(3)：6 0-6 5.2狄谨，周绪红，吕忠达，等正交异性钢箱梁U型肋加劲板极限承载力试验 J中国公路学报，2 0 0 9，2 2(2)：59-6 4.3秦凤江，狄谨，周绪红，等钢箱梁U型肋加劲板受压稳定极限承载力影响因素分析 J长安大学学报（自然科学版),2 0 1 7,37(1):58-6 6.4BAI L H,SHEN R L,WANG L,et al.Experimental and numerical study on buckling behavior of a rigidlystiffened plate with tee ribs J.International journal of steel structures,2018,18(2):582-595.5 SHEN R L,BAI L H,ZHANG S H.Ultimate capacity of the narrow type steel box section for railwayself-anchored 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