橫隔板對懸臂鋼箱梁受力性能影響

韓 雪

(華僑大學 廈門工學院， 福建 廈門 361021)

薄壁鋼箱梁具有重量輕、材料省、抗彎和抗扭剛度大、安裝和養護方便、輕巧美觀等優點，現已廣泛應用于橋梁工程、海洋工程、高層建筑、重型廠房以及大跨空間鋼結構建筑中.然而薄壁鋼箱梁的受力性能有其自身特殊性，特別是薄壁鋼箱梁的約束扭轉問題一直備受工程界的關注[1-3].薄壁鋼箱梁在承受偏心荷載作用時，將產生對稱彎曲、剛性扭轉、畸變及橫向彎曲四種基本變形狀態[4].

通過全面考慮軸向變形、剪切變形、雙向彎曲變形、扭轉變形、截面翹曲變形和畸變變形影響的梁單元剛度矩陣[5]，編制相應的有限元計算程序，以分析設置橫隔板后薄壁鋼箱梁的受力性能.本文應用有限元計算程序，研究橫隔板間距及偏心集中荷載作用位置對懸臂鋼箱梁受力性能的影響規律，探討橫隔板的布置方法，為實際工程設置橫隔板提供參考依據.

1 有限元程序

基于廣義坐標法原理和勢能駐值原理[6]推導出薄壁箱梁在任意荷載作用下，全面考慮軸向變形、剪切變形、雙向彎曲變形、扭轉變形、截面翹曲變形和畸變變形影響的薄壁鋼箱梁單元剛度矩陣.梁單元結點力和對應的結點位移如圖1所示，圖1中標出了梁單元結點力和結點位移的正方向.廣義坐標位移和結點力的正方向與扭轉位移對應的θi為順時針時對應一致.

圖1 考慮各種變形影響的薄壁鋼箱梁單元結點力和結點位移

則梁單元結點i和j處的結點位移和結點力為：

Fe=[FiFj]T=[FuiQyiMziQzi-MyiFUi

FθiFχiFujQyjMzjQzj-MyjFUj

FθjFχj]T

有限元方程為

K(e)ue=Fe

(1)

式中K(e)為單元剛度矩陣，根據有限元方程式(1)，編制了薄壁鋼箱梁的有限元計算程序.為檢驗自編程序的計算精度，與ANSYS板殼單元計算結果進行對比分析，詳細對比情況見文獻[7].比較結果表明，此自編有限元計算程序具有較高的求解精度，可用于設置橫隔板后薄壁鋼箱梁的受力性能分析.

2 橫隔板間距對懸臂鋼箱梁受力性能影響

本文分析模型取橫截面為□1400mm×500mm×12mm×25mm的懸臂鋼箱梁，梁長L=10m，材料為Q235鋼.本節分析的懸臂鋼箱梁在自由端承受偏心集中荷載F=3×105N作用，如圖2所示.橫隔板布置間距分別取為L、L/2、L/5、L/10、L/20.在翹曲正應力分布圖中，橫坐標為梁截面沿縱軸X方向的位置坐標，例如橫坐標為0代表薄壁箱梁固定端截面，橫坐標為10代表薄壁箱梁懸臂端截面;縱坐標為翹曲正應力，翹曲正應力的正負分別表示受拉與受壓.

圖2 懸臂端承受偏心集中荷載作用的懸臂鋼箱梁

為了分析薄壁箱梁分別在彎曲荷載、扭轉荷載、畸變荷載作用下橫隔板對薄壁箱梁翹曲應力的影響，可把偏心的集中荷載分解成彎曲荷載、扭轉荷載、畸變荷載，具體分解方法如圖3所示.

圖3偏心集中荷載的分解方法

提取上翼緣和左側腹板角點A處的縱向正應力，可得到橫隔板對懸臂鋼箱梁縱向正應力的影響規律如圖4～圖7所示.

圖4彎曲荷載下彎曲正應力分布圖

圖5扭轉荷載下翹曲正應力分布圖

圖6畸變荷載下畸變正應力分布圖

圖7偏心集中荷載作用下縱向正應力分布圖

分析圖4～圖7可以得知：

(1)橫隔板對彎曲正應力的影響較小，橫隔板不能起到減小彎曲正應力的作用.

(2)橫隔板對畸變正應力的影響較大，橫隔板可以有效減小畸變正應力.由圖6可知，只要畸變荷載作用位置上布置橫隔板，薄壁鋼箱梁的畸變正應力可減小到0.

(3)當無橫隔板時，扭轉荷載作用下鋼箱梁橫截面的最大正應力為1.71MPa；而畸變荷載作用下鋼箱梁橫截面的最大正應力達29.76MPa，是扭轉荷載作用下的17.4倍.表明截面畸變效應對薄壁鋼箱梁縱向正應力的影響較大，在分析無橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時，截面畸變效應不能忽略.

(4)在分析布置橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時，可重點分析扭轉荷載作用下橫隔板對薄壁鋼箱梁受力性能的影響規律.即把偏心荷載分解出扭轉荷載后，僅重點分析扭轉荷載作用下橫隔板對翹曲正應力的影響規律.

3 偏心集中荷載作用位置對懸臂鋼箱梁受力性能影響

為研究偏心集中荷載作用位置對懸臂鋼箱梁受力性能影響，偏心集中荷載F的作用位置分別取L/5、2L/5、3L/5、4L/5.提取上翼緣和左側腹板角點A處的縱向正應力，可得到偏心集中荷載F的作用位置對懸臂鋼箱梁縱向正應力的影響規律.圖8、圖9分別為不同作用位置的偏心集中荷載F下，無橫隔板、橫隔板間距為L/5的懸臂鋼箱梁縱向正應力分布規律圖.

圖8 無橫隔板時懸臂鋼箱梁縱向正應力

圖9 橫隔板間距為L/5的懸臂鋼箱梁縱向正應力

分析圖8、圖9可知：

(1)當懸臂鋼箱梁不布置橫隔板時，在偏心集中荷載作用處截面縱向正應力發生突變，致使荷載作用處兩側縱向正應力分布規律發生變化.

(2)當懸臂鋼箱梁布置間距為L/5的橫隔板后，偏心集中荷載作用處到固定端間截面縱向正應力為斜直線分布；而從偏心集中荷載作用處到懸臂端間截面縱向正應力接近于0，與只有彎曲荷載作用時縱向正應力的分布規律一致.

(3)偏心集中荷載作用下懸臂鋼箱梁的受力性能可采用如下簡化分析方法：首先把偏心集中荷載分解為彎曲荷載、扭轉荷載、畸變荷載；其次，根據扭轉荷載作用下懸臂鋼箱梁翹曲應力的分布規律，確定橫隔板的設置方法；最后，僅需分析彎曲荷載及扭轉荷載作用下，懸臂鋼箱梁的縱向正應力，此時可忽略畸變荷載的作用效應.

4 結論

(1)橫隔板對彎曲正應力的影響較小，橫隔板不能起到減小彎曲正應力的作用.

(2)橫隔板對畸變正應力的影響較大，橫隔板可有效減小畸變正應力.

(3)截面畸變效應對薄壁鋼箱梁縱向正應力的影響較大，分析無橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時，截面畸變效應不能忽略.

(4)分析布置橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時，應重點分析扭轉荷載作用下橫隔板對薄壁鋼箱梁受力性能的影響規律.

(5)提出了偏心集中荷載作用下懸臂鋼箱梁受力性能的簡化分析方法.

[1]張元海,林麗霞. 一種考慮剪滯效應的斜支承連續箱梁撓曲扭轉分析方法[J]. 工程力學，2012，29(2)：94-99.

[2]張治成,曹龍呈,祝哨晨，等.大跨度開口薄壁鋼箱梁扭轉變形計算[J]. 低溫建筑技術，2012(9)：42-44.

[3]李宇航,楊萬旭. 考慮約束扭轉的曲線箱梁橋活載七自由度分析[J]. 中外公路，2011，31(5)：104-107.

[4]楊英武,尹宗學,王柏生.箱形梁橋加勁肋的作用分析[J].中南公路工程, 2005, 30(20): 52-54.

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[6]包世華,周堅.薄壁桿件結構力學[M].北京:中國建筑工業出版社, 2006.

[7]李海鋒,羅永峰.橫隔板對薄壁鋼箱梁縱向正應力的影響[J]. 建筑結構學報, 2010, 31(S1): 39-44.