某系桿拱橋鋼拱肋橫隔板設(shè)計

陳山山

（上海千年城市規(guī)劃工程設(shè)計股份有限公司,上海市 201108）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)上應(yīng)用越來越廣泛。然而，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)的最重要問題之一，而橫隔板又是鋼箱結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定的重要構(gòu)件[1]。

鋼拱截面較大，橫隔板需設(shè)置人孔，來完成鋼箱室內(nèi)橫隔板焊接，而小截面鋼箱橫隔板尺寸過小無法設(shè)置人孔，導致橫隔板至少有一邊無法焊接，無法達到設(shè)計要求。所以此處的細節(jié)設(shè)計問題需要改進，以提高整體結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。

1 工程概況

某系桿拱橋采用下承式變截面鋼箱雙拱，跨徑42.5 m+62 m+28.5 m=133 m，不等跨三連拱，整體呈現(xiàn)出飄帶形?？傮w布置如圖1所示。

圖 1 系桿拱橋總體布置（單位:m）

橋梁總寬9.4 m，橋面中間設(shè)置人行道及機動車道斷面，兩側(cè)對稱設(shè)置拱肋。具體尺寸為：1.4 m（拱肋區(qū)）+0.3 m（欄桿）+6 m（人行道及機動車道）+0.3 m（欄桿）+1.4 m（拱肋區(qū)）=9.4 m。

三連鋼箱系桿拱橋，三跨矢高分別為10 m、17 m、6.7 m，矢跨比約為1/3.7。主拱采用變截面鋼箱拱，拱肋采用箱型截面，拱頂截面高0.66 m，拱底高3 m，中間線性變化，箱拱寬0.8 m，壁厚20 mm。主拱肋斷面如圖2所示。

圖2 拱肋斷面圖（單位:mm）

主梁采用縱橫梁體系，2根縱梁與拱肋位置的2根系桿組成主梁的縱梁，縱梁為0.5 m×0.5 m×20 mm工字鋼，系桿為0.4 m×0.5 m×30 mm工字鋼，橋面板厚12 mm。

橫梁分為端橫梁和中橫梁。端橫梁采用箱型斷面，高1 m，寬1 m，頂板厚12 mm，腹板、底板厚20 mm。中橫梁高0.5m，寬0.5 m，每隔4 m設(shè)置1道。

本橋共采用21對吊桿，三跨分別設(shè)置7、11、3對吊桿。吊桿間距4 m，對應(yīng)拉在主梁的中橫梁處。

2 拱肋橫隔板設(shè)置

主拱采用變截面鋼箱拱，拱肋采用箱型截面。為了保證拱肋穩(wěn)定，箱拱內(nèi)需設(shè)置一定數(shù)量的橫隔板[2]，防止在受力上以軸向受壓為主的鋼拱肋失穩(wěn)。

2.1 非拱肋頂范圍橫隔板

橫隔板沿拱軸線每隔2.2~2.5 m設(shè)置1道，吊桿位置必須設(shè)置1道。

橫隔板厚16 mm，為保證鋼箱內(nèi)部焊接質(zhì)量，在橫隔板上設(shè)置直徑500 mm人孔。

2.2 拱肋頂范圍橫隔板

拱肋為變截面鋼箱拱，拱頂處尺寸為660mm×800 mm，由于縱向加筋肋的設(shè)置，在拱頂10 m范圍內(nèi),箱梁尺寸過小，橫隔板無法設(shè)置人孔。箱梁焊接時，無法從鋼箱內(nèi)部焊接。而從外部焊接只能在頂板焊接前焊接橫隔板，這樣內(nèi)部橫隔板與頂板的焊接將無法保證。

2.3 拱肋頂橫隔板特殊設(shè)計

為解決小截面鋼箱橫隔板無法焊接的問題，本文提出一種橫隔板的特殊設(shè)計方法，如圖3所示。

圖3 拱肋頂橫隔板設(shè)計圖（單位:mm）

利用鋼拱曲線施工分段，將鋼箱拱頂板斷開，橫隔板在斷開位置伸出頂板，伸出長度為30 mm，方便焊接。

施工時，先將橫隔板與底板、腹板焊接好，再蓋上頂板，焊接頂板與腹板、頂板與橫隔板。這樣將本應(yīng)在內(nèi)部封閉焊接的工作都釋放到開放界面焊接，使各個板件間都能焊接，同時又提高了焊接的質(zhì)量。

橫隔板伸出頂板的30 mm位于拱肋最高處頂部，且尺寸較小，不會影響該橋的整體景觀效果。

3 局部有限元分析

利用Midas civil 8.3.2建立拱肋拱頂節(jié)段局部有限元模型。

取拱頂4 m節(jié)段進行建模，該節(jié)段中共2塊橫隔板，橫隔板間距2 m。拱肋主要為受壓結(jié)構(gòu)，所以本次建模不考慮拱肋的彎曲。

3.1 有限元模型

分別建立兩個拱肋有限元模型進行對比，見圖4。其中模型1為常規(guī)做法；模型2為橫隔板伸出拱肋頂板做法（本橋橫隔板特殊設(shè)計做法）。

圖4 有限元模型

模型1：節(jié)點4 651個；實體單元2 960個；材料為Q345qC。

模型2：節(jié)點4 669個；實體單元2 936個；材料為Q345qC。

通過全橋有限元模型，從中提取出拱肋頂部最大內(nèi)力，整體模型中提出的最大軸力為1 000 kN,對應(yīng)的彎矩為667 kN·m。以節(jié)點荷載形式加于拱肋模型一端。

3.2 計算結(jié)果

各板件應(yīng)力結(jié)果如表1所示。

表1 各板件應(yīng)力匯總表 MPa

由表1可知，兩模型應(yīng)力主要差別為頂板應(yīng)力，模型2頂板應(yīng)力為模型1的2.75倍。模型2的應(yīng)力最大點出現(xiàn)在頂板與橫隔板交線角點處，如圖5所示。鈍化該角點后，最大應(yīng)力值為66 MPa，位置在橫隔板兩側(cè)10 cm的頂板處，如圖6所示；該值為模型1頂板最大應(yīng)力的1.6倍，已小于底板的最大應(yīng)力。

圖5 模型2橫隔板處頂板應(yīng)力等值線圖

圖 6模型2鈍化角點后頂板應(yīng)力等值線圖

3.3 計算結(jié)果分析

經(jīng)有限元模型對比，本橋橫隔板特殊設(shè)計做法與常規(guī)做法相比，頂板局部應(yīng)力為110 MPa，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[3]要求。在不考慮頂板局部角點應(yīng)力的情況下，各板件應(yīng)力值基本相同，僅頂板應(yīng)力最大值由40 MPa增大到66 MPa，相差并不大，且不為控制應(yīng)力。所以本橋橫隔板特殊設(shè)計的做法在理論上是可行的。

4 結(jié)語

針對小截面鋼箱橫隔板無法設(shè)計人孔，造成至少有一面無法焊接的問題，本文所提出的特殊的橫隔板設(shè)計方法可利用鋼板本身的節(jié)段進行橫隔板焊接。由于其突出部分位于拱肋最高處頂部，并不影響景觀效果，因此這種橫隔板的設(shè)計方法使各個板件間都能焊接，同時又提高了焊接的質(zhì)量。

本設(shè)計方法解決了本工程拱肋橫隔板的設(shè)計施工問題，也為其他工程中類似構(gòu)造問題提供了一定的參考價值。