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1、四川省交通厅科研项目四川省交通厅科研项目正交异性板和钢箱梁设 计 关 键 技 术 研 究研 究 报 告四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院课题负责人课题负责人 ：王应良王应良20062006年年1212月月1 项目来源和研究工作概况2 正交异性板钢桥面概述 3 Peklian-Esslinger法4 正交异性板计算的等效格子梁5 钢梁腹板弹性稳定理论6 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析7 结束语正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院目 录任务来源 20世纪
2、80年代末期，随着我国经济的发展，尤其是公路和城市桥梁的迅速发展，促进了钢桥的发展，尤其是钢桥恒载小、建筑高度低，工厂加工的质量容易保证，施工速度快等优点，钢桥类型遍及梁桥，拱桥，斜拉桥，悬索桥。这些桥梁主要采用钢箱作为主梁或者拱肋。我国近年来每年钢桥用钢量保守的估计在10万吨以上。四川省公路和市政桥梁基本上还没有采用正交异性板和钢箱梁结构。但是随着四川经济的发展和大家对钢结构桥梁的认识，以及外省多座钢桥的影响，大家认识到正交异性板和钢箱梁用于四川的大跨和城市桥梁是很有潜力的，2003年四川省交通厅公路规划勘察设计研究院向四川省交通厅申请正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究课题，在2003年8月
3、得到交通厅的批准并立项。第一章 项目来源和研究工作概况正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院研究目的 四川省钢箱梁设计刚起步，但是四川省交通厅公路规划勘察设计研究院已经在外省设计和设计咨询一些钢桥。研究正交异性板和钢箱梁设计中两个关键问题，无论是作好技术储备，还是进入外省大跨度桥梁设计市场都是很必要的。在本课题即将结束之时获悉四川南溪长江大桥采用主跨820米的钢箱梁悬索桥，这标志着钢箱梁首次走进四川的大跨度桥梁领域。研究工作内容 选择正交异性板和钢箱梁设计中比较复杂的两个问题，为主要研究内容。1
4、)正交异性板钢桥面的计算理论汇总和研究，对目前国内外正交异性板计算的实用理论进行研究，对常遇情况下的正交异性板编制计算程序。2)钢板梁和钢箱梁腹板、横隔板在多向应力状态下稳定性研究，采用加劲板理论研究钢箱梁腹板和横隔板稳定性，对设计进行优化，更可靠、经济合理。正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第一章 项目来源和研究工作概况研究工作的完成情况和主要成果 本研究基本上完成了预定的两个研究内容，并取得了以下研究成果。1)总结了Peklian-Esslinger法计算正交异性板的步骤和公式，并采用此
5、法编写了正交异性板钢桥面分析程序(SBGAS程序)，对程序进行考证，计算结果可靠。2)建立了流线型扁平钢箱梁第二体系应力分析的等效格子梁模型，仔细推导了等效格子梁法的计算公式；采用等效格子梁法编写正交异性板钢桥面分析程序(ODAS系统)，计算结果可靠，适用于有悬臂板和纵隔板的钢箱梁。3)对高厚比较大的钢箱梁腹板和横隔板提出了相应的设计思路，给出了加劲板三类临界刚度的意义，弹性理论计算腹板稳定的基本理论基础，加劲肋合理位置的选择。正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第一章 项目来源和研究工作概况
6、4)建立横隔板内力计算的空间节段模型，用该模型得到的结果可靠、全面，可以优化开口(人洞)位置，得到的应力可直接其稳定性进行检算。尤其是对斜拉桥钢箱梁吊机前支点横隔板进行了详细的有限元分析得到其应力场分布。5)以英国规范BS5400为基础给出了采用弹塑性理论分析钢箱梁腹板和横隔板稳定性的步骤，将有限元分析的结果和设计规范紧密的结合起来，编写了钢箱梁腹板和横隔板稳定性计算程序SBP，通过多个算例对程序进行考证，计算结果可靠。6)将SBGAS、ODAS和SBP等程序汇总称为正交异性板和钢箱梁分析系统(OPBAS)曾成功用于大跨悬索桥和斜拉桥钢箱梁的结构设计和计算中，解决了大型桥梁设计计算中的复杂问题
7、。正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第一章 项目来源和研究工作概况 本项目的研究成果曾经用于南京长江二桥，湖北军山长江大桥，广东中山一桥，重庆鱼嘴长江大桥、广州珠江黄埔大桥北汊桥、广州珠江黄埔大桥南汊桥，重庆石板坡长江大桥，重庆菜园坝长江大桥，广州猎德珠江大桥等多座大桥的设计(咨询)或科研工作。本项目的主研人员也多次被邀请为专家参加包括苏通长江大桥在内的多座大桥的评审，多次参加交通部钢结构桥梁设计规范研讨会等。正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅
8、公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第一章 项目来源和研究工作概况合成桥面系非合成桥面系 合成桥面系是指桥面系除了将荷载传递给主梁，其本身还要参与主梁受力的桥面系，例如和主梁连接在一起的正交异性板钢桥面(正交异性板和主梁之间传递剪力)第二章第二章 正交异性板钢桥面概述正交异性板钢桥面概述正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 2.2 正交异性板钢桥面的结构行为概述 传统明桥面的设计方法认为车轮荷载先由桥面板传递给纵梁，纵梁传递给横梁，横梁再传递给桁架或主梁，桥面系对桥梁纵向抗
9、弯刚度基本没有贡献。正交异性板桥面是将桥面板、纵肋和横肋连接成为一个整体而形成上翼缘，桥面和主梁受力特征的差别变得不再非常明显。桥面板和纵肋成为主梁的一部分(上翼缘)，桥面也可以为桥梁提供足够的横向刚度。正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第二章第二章 正交异性板钢桥面概述正交异性板钢桥面概述2.2 正交异性板钢桥面的结构行为概述 1)正交异性板桥面系统的构件 顶板既形成纵肋、横肋的翼缘部分，同时又作为主梁的上翼缘部分共同受力，其结构行为非常复杂。全部采用板壳单元模拟，一次得到整个结构的全部内
10、力和应力，非常不经济的，还是将其内力分析分为三个体系来计算。为了方便设计根据结构的变形将其受力划分为以下三个体系：(1)第一体系：结构总体体系。(2)第二体系：桥面体系。(3)第三体系：支承在纵向加劲肋腹板之间的桥面板的变形。实际上这三个体系是共同作用的，此处为了便于理解，分为三个体系。正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第二章第二章 正交异性板钢桥面概述正交异性板钢桥面概述 2.2 正交异性板钢桥面的结构行为概述 应力叠加正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究
11、四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第二章第二章 正交异性板钢桥面概述正交异性板钢桥面概述 第二体系(桥面体系)是多次超静定结构，计算比较复杂，通常采用简化的方法分析，如P-E法、正交异性板理论、折板理论、有限元和有限条等方法。上个世纪50年代，前联邦德国的WPelikan 和M Esslinger提出用正交异性板理论计算钢桥面板，本章主要介绍P-E计算正交异性板基本理论。3.1 P-E法概述 认为钢桥面是支承在刚度无限大主梁和等间距弹性横梁上连续正交异性板。P-E法计算正交异性板钢桥面第二体系应力的基本假定为：1)假设钢桥面板在顺桥向简支在箱梁或板梁的腹板上，
12、在横向弹性支承在间距相等的横肋或横梁上。2)桥面板计算时，假定钢梁腹板的抗弯刚度无穷大，在顺桥方向等间距布置的纵肋连同桥面盖板的纵向抗弯刚度为：3)横向抗弯刚度等于桥面板刚度Dp第三章 Peklian-Esslinger 法正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 计算分为以下两个阶段：第一阶段：假定横肋的刚度无穷大，计算纵肋和横肋中的最大弯矩，并计算横肋的支反力；第二阶段：根据第一步计算得到横肋的支反力并考虑横肋的柔性对第一步计算得到的纵肋和横肋的弯矩进行修正。由于横肋的变形，纵肋的支点弯矩减小
13、，跨中弯矩增大，横肋的跨中弯矩减小，在第二阶段就是对以上数值进行修正。第三章 Peklian-Esslinger 法正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第三章 Peklian-Esslinger 法正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 纵肋设计时，最好计算A和B点。B点位于横肋跨中和纵肋的跨中附近，横肋的竖向变形比较大，纵肋跨中的竖向变形也比较大，导致纵肋的跨中正弯矩比较大，要验算该点纵肋的跨
14、中弯矩。A点位于最靠近主梁腹板的纵肋和横肋相交的位置，此处横肋弹性变形较小，横肋支承作用比较强大，纵肋变形较小，纵肋支点负弯矩较大，因此要验算支点负弯矩。横肋设计时，如果横肋是简支在主梁腹板上或主梁腹板抗扭刚度较小，应检查横肋跨中附近的正弯矩。如横肋连续支承在多个主梁的腹板上，要考虑横肋靠近主梁腹板的负弯矩，一般情况下其支点负弯矩最好取跨中正弯矩的80%左右。第三章 Peklian-Esslinger 法正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 3.5 程序设计 根据以上Peklian-Essli
15、nger理论编写了正交异性板钢桥面分析系统(SBGAS系统)，该程序适用于纵向采用闭口加劲肋的正交异性板钢桥面。该程序自从1997年起先后完成南京长江二桥、湖北军山长江大桥、上海卢浦大桥、广州珠江黄埔大桥等多座大桥的计算。第三章 Peklian-Esslinger 法正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第四章 正交异性板计算的等效格子梁 Pe法的优点：最为常用，虽然比较繁琐，但P-E法概念清楚、易于理解，且因提出比较早影响比较大，而且可以进行手算，早已被多数工程师所熟悉，至今P-E法仍被广泛地
16、应用于正交异性板钢桥面的计算分析。P-E法的缺点：只适用于桥面简支在钢箱梁腹板上的情况。很难考虑有悬臂板、纵隔板的钢箱梁，箱梁周边对横隔板的弹性镶固作用。只能近似得到横隔板的弯曲正应力和弯曲剪应力。第四章 正交异性板计算的等效格子梁正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院4.1 正交异性板钢桥面第二体系应力分析的等效格子梁模型 为了考虑闭口加劲肋之间的荷载分配，假想在纵肋之间有虚拟的梁单元将各个纵肋连在一起，直接承受荷载的纵肋通过假想的配梁将荷载传给附近的纵肋，采用位移法求解。由于通过假想的等效分
17、配梁将荷载分配给其它的纵肋，所以称为等效格子梁法。可以考虑有悬臂板、钢箱梁内设置纵隔板等情况，使用的范围比较广。正交异性板桥面等效格子梁法分析的思路是用一个等效的梁格体系来代表正交异性板桥面。对每根纵肋和横肋(横隔板)采用与其中心线相重合的梁单元近似模拟，即等效格子梁的布置与纵肋和横肋(横隔板)的位置一致。第四章 正交异性板计算的等效格子梁正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 等效格子梁法的物理意义是将每一构件的刚度集中到与其毗连的邻近梁格内，换句话说纵肋刚度集中到梁格的纵梁内，横肋的刚度集中
18、到梁格的横梁内。当承受荷载时，正交异性板桥面和等效格子梁的挠度相等，等效格子梁的内力等于它所代表的构件的内力。事实上，等效格子梁和正交异性板有着不同的结构特征，因此，这个假想只能是近似的，一般认为梁格布置越密，这种近似性就越好，计算结果也更符合实际，这种分析方法不仅适用于正交异性板，而且适用于斜交异性板和曲线梁分析。第四章 正交异性板计算的等效格子梁正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院等效格子梁法和P-E法的比较 在横桥向，M(x)的分布如图，纵肋的弯矩常采用以下两种方法：P-E法：M(max
19、)乘以纵肋的间距(a+e)，其物理意义是矩形包围的面积。积分法：对纵肋宽度范围内(=a+e)的弯矩M(x)进行积分，物理意义是曲线M(x)包围的面积。第四章 正交异性板计算的等效格子梁正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 采用等效格子梁理论，编写ODAS程序，下面通过算例来相互考证。算例1 以图所示的正交异性板桥面结构作为算例进行分析，等效格子梁法的计算模型图所示，假设在纵肋跨中设置一个假想的等效分配梁，其刚度由ODAS程序求得I(eq)=5.45105mm4。等效格子梁法和P-E法计算结果比
20、较项目等效格子梁法(ODAS程序)P-E法纵肋跨中上缘应力(MPa)-50.6-55.7纵肋跨中下缘应力(MPa)+131.0+144.1第四章 正交异性板计算的等效格子梁正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论5.1钢箱梁腹板设计思路1)根据钢箱梁(钢板梁)腹板的高度、厚度及其实际应力状态，初步假定水平加劲肋和竖向加劲肋的尺寸和间距。2)对各板块进行局部稳定性的验算，找出屈曲安全系数最小的板块。3)调整水平加劲肋和竖向加劲肋的位置，重新计算各板块的屈曲安全系数，
21、使得各板块的屈曲安全度基本相等。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院5.2 板块的临界屈曲应力和屈曲安全度5.2.1 几种单向应力状态下矩形板的临界屈曲应力第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院单向均匀压力周边均匀剪应力线性分布压应力5.2.2 临界屈曲换算应力第五
22、章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院5.2.2 临界屈曲换算应力工程中常见的组合应力状态中，以下两种组合特别重要：1)单向线性分布压应力与剪应力的组合；2)在前者的基础上增加另一个方向的均布压应力。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹
23、性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院b2ab1b12第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院安全系数 临界屈曲应力 简化的弹塑性屈曲 矩形板块的弹塑性临界屈曲应力总可以用来表示。在钢箱梁和钢板梁设计中，采用半经验的修正，其中Et为材料的切线弹性模量，E为材料的弹性模型。对于多向应力状态，认为在临界屈曲
24、应力超过比例极限后，板是各向异性的。在x方向为切线模量，在y方向依然为弹性模量，在xy方向假定为，最后再根据不同钢种的弹塑性失稳曲线得到铁路钢桥设计规范(TB1002.2-99)P91的计算式第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院板的屈曲安全度 板梁和箱梁的屈曲安全度定义为临界换算应力和设计换算应力之比。第i块板块的安全度记为：设计要求v不小于某一数值，有的取1.5，有的取1.3。所有的腹板板块都必须满足该条件，最小的记为，与之对
25、应的板块为腹板板块中最薄弱的板块。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 5.3 钢箱梁(钢板梁)腹板加劲肋设计和计算5.3.1 竖向加劲肋的设计和计算竖向加劲肋的间距 设高度为h，厚度为 的无限长板块，两边受剪应力的作用，采用加劲肋间距为a的竖向加劲肋将板分为长为a，高为h的矩形板块，假定竖向加劲肋的刚度足够大，以致于可以将其间的板块当作独立的四边简支板看待。从其中取出一个板块，计算竖向加劲肋间距的原则是临界应力K和设计应力之比
26、大于或等于设计要求的安全度。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院竖向加劲肋刚度的计算和设计1)临界刚度的意义 设计竖向加劲肋时，需要计算其临界刚度，再将计算得到的临界刚度增大m倍后作为设计需要的最小刚度。其中：E为材料的弹性模量，J为加劲肋的设计刚度，J*为竖向加劲肋的临界刚度，m为安全系数。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四
27、川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 水平加劲肋的位置和刚度剪应力较小时水平加劲肋的位置 合理的水平加劲肋位置能使各板块的屈曲安全度相等或者接近，从而比较充分的发挥每个板块的抗力。水平加劲肋的位置计算公式：当剪应力为0时，上式是准确的，否则是近似的，对于剪应力比较小的区域可以得到较好的应用效果。对剪应力较大的区域，可以采用以上公式作最初的尺寸拟定，然后计算各板块的屈曲安全度后进行相应的调整。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省
28、交通厅公路规划勘察设计研究院 水平加劲肋的位置和刚度水平加劲肋的刚度关于加劲肋设计的两种思路 柔性加劲肋 刚性加劲肋 设计者要在这两种方法之间选择最经济的方法。多数情况下都选择刚性加劲肋方案。采用刚性加劲肋时整个加劲腹板的屈曲分析就可以简化为分析加劲肋之间板块的屈曲分析。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院水平加劲肋的位置和刚度最佳刚度可以采用以下三种方法定义。第一肋临界刚度 肋恰好位于板屈曲后的波节线上，当刚度达到临界刚度后已
29、不可能使临界应力提高。肋刚度较小，带有肋的板块屈曲成一个半波，肋本身弯曲；肋刚度逐渐增加到临界刚度时，板块屈曲成为两个半波，肋和波节线重合，肋只扭不弯。由于肋本身不弯曲，无论其抗弯刚度如何增加都不会导致临界承载力的增加。只在某些特定荷载和加劲肋的布置情况时才出现，平时遇到的情况不多。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院水平加劲肋的位置和刚度最佳刚度可以采用以下三种方法定义。第二类临界刚度 中央设置纵向加劲肋的平板在面内弯矩作用下
30、，虽然沿着肋被迫没有线位移形成有节线的“固定”状态(图(c)，但是却不会形成其线位移的二阶导数等于零的节线，即使位移为零，但其曲率却不等于零，(c)加劲肋处的位移曲线有曲率。当肋刚度达到某数值，再增加其刚度，临界应力已无明显提高，此时刚度为临界刚度。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 水平加劲肋的位置和刚度 第三类临界刚度 在许多实际情况下，在理论上既不存在第一类临界刚度也不存在第二类临界刚度。第三类临界刚度定义为整个加劲板的
31、屈曲荷载等于最不利节间的屈曲荷载，此时节间的四边约束条件为简支，这样的挠曲刚度称为第三类临界刚度。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 水平加劲肋的位置和刚度箱梁或板梁腹板水平加劲肋的临界刚度 箱梁或板梁薄腹板的特点是具有多条水平加劲肋，从这个特点出发采用第三类临界刚度的思路来定义腹板水平加劲肋的临界刚度。数条水平加劲肋将腹板沿高度方向分为一系列的板块，使整个腹板与最薄弱的板块同时进入屈曲临界状态，此时加劲肋应具备的刚度称为临界
32、刚度。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 根据能量原理，确定整个腹板板块的稳定性和加劲肋的刚度。第五章第五章 钢梁腹板稳定计算的弹性理论钢梁腹板稳定计算的弹性理论正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析 加劲板的弹塑性稳定分析理论是比较复杂的，从工程可靠性，工程技术人员可操作性及普
33、及性的角度来看，对腹板(横隔板)弹塑性稳定比较实用的是英国钢桥设计规范BS5400。先介绍采用BS5400计算横隔板稳定性的思路和方法，介绍横隔板应力场的计算，如何将有限元计算的结果和设计规范紧密的结合起来，评价钢梁腹板和横隔板的稳定性。最后以珠江黄埔大桥为工程背景，采用BS5400和中国铁路钢桥设计规范(TBJ1002.2-99)分析了钢箱梁的吊机前支点横隔板的稳定性。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院6.1 采用BS5400计算腹板稳定性的
34、步骤 腹板板块的划分 以横向加劲肋或者横隔板作为横向边界，以纵向加劲肋或者梁的翼缘作为纵向边界，将腹板围起来的各个部分，叫“腹板板块”，与梁的翼缘相邻的腹板板块称为“外侧板块”，腹板的应力状态如图所示。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院1)首先判断每个板块的约束情况：有约束还是吴约束2)再分别计算各板块的：轴向屈曲系数 1，剪切屈曲系数Kq，弯曲屈曲系数Kb，横向屈曲系数K2。3)采用交叉公式计算各板块的稳定性第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹
35、塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 为了保证加劲肋能够为腹板板块提供有效的支承，使腹板板块能够按照以上的公式计算，BS5400对水平和竖向加劲肋的设计进行了严格的规定。尤其是腹板的剪应力大于一定数值时可以形成拉力场，因此对竖向加劲肋进行了严格的限制。竖向加劲肋的荷载效应包括：(a)由于拉力场产生的轴力；(b)腹板失稳后产生的轴力；(c)横梁和横联传来的轴力；(d)翼缘短段荷载传递来的轴力；(e)翼缘在立面呈曲线时所产生的轴力；(f)倾斜翼缘在转折处所产生的轴力 (g)由于轴力的
36、偏心或由于横梁、横联、U型框架或桥面板的弯曲产生的绕平行于腹板轴的弯距。BS5400计算竖向加劲内力的公式和方法具体参见该规范，此处不再赘述。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 采用以上理论，笔者编写计算程序SBP，计算横隔板的弹塑性稳定性。输入数据说明 1 总体数据部分(首先判明内侧板块和外侧板块的个数)内部隔板个数,外部隔板个数 2.材料参数 材料的名义屈服应力，腹板应力重分布系数 3 读入内部板块的控制信息 内部板块的长度、高度、厚度和离
37、翼缘板的距离 内部板块的轴向压应力、纵向弯曲应力、横向压应力、剪应力和翼缘应力 4.读入外部板块的控制信息 外部板块的长度、高度、厚度和离翼缘板的距离 外部板块的轴向压应力、纵向弯曲应力、横向压应力、剪应力和翼缘应力程 序 设 计第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院6.2 流线型扁平钢箱梁横隔板的空间有限元分析 采用P-E法和等效格子梁法得到的横隔板结果过于简单，实际上横隔板受力较复杂，下面用节段模型比较细致地分析横隔板的受力。横隔板的结构行为概
38、述 1)桥梁纵向，横隔板相当于纵肋的弹性支撑，减小了纵向加劲肋的跨度和受压失稳时的自由长度；2)桥梁横向，横隔板和有效宽度内的钢箱梁的上下翼缘共同作用相当于一个上缘受压的工字梁；第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院非吊点处横隔板计算模型 吊点处横隔板计算模型 支座处横隔板计算模型 第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路
39、规划勘察设计研究院第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析南京长江二桥横隔板计算模型(部分模型)1997年 正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析非吊点Mises应力等值线图 吊点Mises应力等值线图 支座处Mises应力等值线图 正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析 在横隔板中间和纵隔板外
40、侧附近处的位置有3个Mises应力都比较小的区域。因此，在这些位置处预留人洞和电缆洞是比较合适的。由图6-13可以看出由于纵隔板的设置，由于支座处的横隔板在应力比较小的区域的应力分布比较复杂，可将支座处人洞和电缆洞的设置向外偏离米。在横隔板下方高度减小处的应力分布比较复杂，而且应力的数值比较大，横隔板的下脚点增设两道比较短的纵向局部加劲肋。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院斜拉桥的吊机前支点横隔板 在斜拉桥的施工阶段，支座、临时吊点和吊机的前支
41、点等一般都是设置在横隔板附近。斜拉桥吊机的荷载直接作用在钢箱梁的横隔板上，由于吊机前支点的荷载比较大，钢箱梁横隔板受弯、压、剪共同作用，由于横隔板的构造特点，考虑其整体性较差，各种开孔造成截面削弱和截面应力集中等特点，研究横隔板腹板在局部压应力、弯、压、剪共同作用时的稳定性能。钢箱梁施工吊装时，横隔板在吊机的前支点集中荷载作用下可能引起局部屈曲，即踬曲，甚至出现整体失稳。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院苏通长江大桥钢箱梁吊机前支点横隔板局部加
42、劲肋示意第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 广州珠江黄埔大桥北汊桥为工程背景进行计算。主桥为主跨383米的大跨度独塔钢箱梁斜拉桥，孔跨布置为383+197+63+62米，主桥全长705米。首先采用上述的节段钢箱梁模型计算得到吊机前支点横隔板的应力场。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院第六章 钢梁
43、腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 横隔板横向正应力（百帕）第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院横隔板在竖向的正应力 第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院横隔板
44、剪应力云图 第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院板块号ab12bf11000241010.17-33.6-40.30-45.802600241022.06-46.46-68.53-14.64350018982.62-39.38-63.2454.41-76.074160054036.68-64.90-44.80-104-14.24附注板的尺寸单位为mm，应力的单位为MPa。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技
45、术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院手算和程序计算的结果对比表板块号手算程序电算附注10.4210.428由于手算是查表中的曲线，有一定的差别。20.4630.45930.7660.73440.7850.783 通过以上计算可以看出大跨度斜拉桥尤其是钢箱梁的宽度比较大，斜拉索索距比较长的情况下，吊机前支点横隔板的稳定性是非常值得关注的。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院板
46、块号BS5400 K1BS5400相对安全系数K2铁路规范(TB1002.2-99)K3铁路规范相对安全系数K4 10.4282.3362.441.87720.4592.1794.843.72330.7341.3622.0541.58040.7831.2771.891.454附注BS5400的相对安全系数等于K2=1/K1 铁路规范相对安全系数K4=K3/1.35 取出同一板块根据BS5400和中国铁路规范(TBJ1002.2-99)计算的安全系数如表所示。根据比较K2和K4可知，两个规范计算的结果有一定的差距，对个别板块相差较大。第六章 钢梁腹板(横隔板)的实用弹塑性稳定性分析正交异性板和钢
47、箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 本课题在前人研究的基础上，对正交异性板钢桥面的总体结构行为和第二体系应力的实用计算方法进行了总结。建立了等效格子梁分析正交异性板桥面的等效格子梁模型，推导了等效格子梁法的相关公式。对钢梁腹板的弹性稳定理论进行了较系统总结，给出了铁路桥梁规范附录中关于钢梁腹板稳定性计算的理论依据。将有限元计算得到的数值结果和设计规范较好的联系起来，通过我国铁路桥梁设计规范推荐的钢梁腹板弹性稳定理论和BS5400中腹板弹塑性稳定理论的对比，指出了应该重视腹板弹塑性稳定性分析。本项目还编写了
48、多个计算机程序，方便设计和计算工作。第七章 结束语正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 本项目的研究成果曾经用于南京长江二桥，湖北军山长江大桥，广东中山一桥，重庆鱼嘴长江大桥、广州珠江黄埔大桥北汊桥、广州珠江黄埔大桥南汊桥，重庆石板坡长江大桥，重庆菜园坝长江大桥，广州猎德珠江大桥，广州市内环多座高架桥、重庆观音岩长江大桥等多座大桥的设计和科研工作。主研人员也多次被邀请为专家参加包括苏通长江大桥在内的多座大桥的评审，参加交通部钢结构桥梁设计规范研讨会等。钢箱梁设计中还有其它问题需要研究，本项目中
49、的内容国外已经研究多年了，但国内以前在本领域研究尚不太活跃，近年来才有借助于国内一些大桥的工程背景，开展了一些研究，本研究也需要进一步的深化。希望有更多的学者来研究这些问题，以便使我国在该领域的研究水平能够达到并超过国际水平。第七章 结束语正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 本课题关于钢箱梁腹板和横隔板的稳定性研究已经得到重庆市基础科学研究项目大跨度宽桥面结合梁斜拉桥设计和施工关键技术研究项目中结合梁稳定性研究子课题的支持，下一步将通过试验的方法研究高厚比较大的腹板在多向应力状态下的弹塑性稳
50、定。在研究过程中，得到四川省交通厅公路规划勘察设计研究院和四川省交通厅以及广州珠江黄埔大桥建设有限公司、重庆市高速公路发展公司北方分公司、西南交通大学等相关单位的支持，使得各项工作顺利进行。第七章 结束语正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究正交异性板和钢箱梁设计关键技术研究 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院课题组在此也向多年来关心、支持本研究项目的领导和同事们表示最真挚的谢意！负 责 人 简 介 王应良 工程师 2000年毕业于西南交通大学 主持江津长江大桥(主跨436米结合梁斜拉桥)等多座桥梁设计工作；担任广州珠江黄埔大桥设计、科研设计咨询总负责人 (南汊主