支座处横隔板结构设计与优化

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摘要：支座处横隔板是钢箱梁的关键受力构件，在进行施工图设计时需要对其受力情况进行反复核算，确保构造设计安全可行。本文通过有限元方法，计算了某桥在最不利工况下的受力情况，得到了支座处横隔板的应力分布，并分析了横隔板上高应力产生的原因，对横隔板构造进行了优化设计。结果表明，优化后的横隔板上所有区域的应力值都低于钢板的设计容许应力，优化设计合理有效。

关键词：钢箱梁；支座处横隔板；有限元分析；应力；优化设计

Abstract: The diaphragm in the support position is a key structural component of steel box girder, which needs to be calculated repeatedly during construction drawing design, to ensure that the design is feasible and safe. In this paper, the stress of a bridge under the most unfavorable condition is calculated, and the stress distribution of diaphragm in the support position is obtained by finite element analysis. The causes of high stress are studied, based on which the design of diaphragm is optimized. The results show that stress values in all regions on the optimized diaphragm are below the allowable working stress, which proves that the optimization is reasonable and effective.

Keywords: steel box girder; diaphragm in the support position; finite element analysis; stress; design optimization

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

正交异性板钢箱梁是由顶板、底板、腹板、横隔板以及各组件的加劲组成的。在桥梁的纵向上，钢箱梁桥面板上的荷载由顶板及其加劲传递给横隔板，横隔板相当于顶板及其加劲的弹性支撑，减小了顶板及其加劲的跨径。在桥梁的横向，横隔板和有效宽度内的钢箱梁的顶底板共同作用相当于一个工字梁，另外横隔板还要承受钢桥面的自重、二期恒载和汽车荷载，尤其是汽车车轮下的局部压应力比较大[1]。

支座处横隔板除了起到一般横隔板的作用外，还要支撑起支座两侧有效作用范围内的梁段自重、二期恒载和汽车荷载，支座对桥梁的反作用力几乎全部传递到支座横隔板上。因此支座处横隔板的受力比一般横隔板大得多，是钢箱梁的关键受力构件。在进行施工图设计时，要对支座处横隔板的受力进行反复核算，确保构造设计安全可行。

钢箱梁各部分之间互相约束，内力分配非常复杂。要计算横隔板的内力，必须考虑结构的空间行为。要想准确算出横隔板上各位置的应力分布情况，已经不能够依靠经验计算或者简化计算，而必须采用离散化计算方法。其中，有限元分析以其独特的优越性，被广泛应用于工程计算，也取得了令人满意的结果[2-8]。

工程上常用von Mises应力作为评判构件应力水平的标准，并保留一定的安全系数，可以取得较好的效果。本文中安全系数取值为5%，即屈服强度为345MPa的板材，要求设计应力不超过328MPa；屈服强度为420MPa的板材，要求设计应力不超过400MPa。

1 工程背景

本文的研究对象为某6×110m钢箱连续梁桥，公路等级为高速公路，设计时速为100km/h。桥面为双向六车道，外侧设有紧急停车带，桥梁横断面总宽度为33.1m，钢箱梁梁高为4.5m。

对于均匀受载的六跨连续梁，由全桥总体计算可知，次边墩处支座反力最大，说明相同构造情况下，次边墩处支座横隔板的受力相比于其他位置横隔板更为不利。因此，本文选择次边墩处支座横隔板作为优化设计对象。支座处横隔板构造如图1所示。

图1 支座处横隔板构造

次边墩处顶板厚24mm，底板厚28mm，中腹板厚24mm，边腹板厚22mm，支座横隔板厚20mm，人孔和管线孔加劲厚20mm。所有钢板材质均选用Q345qD，材料强度为345MPa，设计容许应力为328MPa。

2 初始设计的有限元计算

2.1 计算模型与位移边界条件

对全桥进行建模。以次边墩支座为中心，建立26m的对称梁段模型，该段模型采用板壳单元shell63划分网格。主梁其他部分采用梁单元beam44建模。在板壳元模型的两个端面生成刚域，使之与梁单元的相应端点刚性固结。在次边墩支座处以实体单元solid45建立桥墩模型，并在桥墩上表面与对应的支座底板上建立耦合关系。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

在桥墩下表面横向中心线上，施加竖向和横向的位移约束；在桥墩下表面纵向中心线上，施加纵向的位移约束；在除次边墩支座外的其他每个支座位置施加竖向和横向的位移约束。

2.2 加载工况

考虑桥面铺装和桥面系等二期恒载作用，调整钢材密度至11520kg/m3。

汽车荷载采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中的车辆荷载，车辆轮载标准值为550kN。车辆荷载的冲击系数按1.4考虑，并考虑1.25的远期交通量增大系数。

板壳元上加载车辆荷载，顺桥向的车辆荷载布置方式是纵向一排车，两排后轮骑跨在支座横隔板上。横桥向按照八车道布置，上行四车道靠外侧防撞护栏布置，下行四车道靠中央防撞护栏布置靠外侧防撞护栏布置。未加载车辆荷载的部分则加载相同偏载工况的车道荷载。梁单元上按照影响线加载均布荷载。调整均布荷载数值，验算支座反力，直至次边墩处支座反力与全桥总算结果一致。

2.3 计算结果与分析

计算结果发现，挑臂应力较小，此处只分析横隔板的应力情况。图3是初始设计的横隔板von Mises应力云图。从图中可以看到，横隔板上最大应力是512MPa，远远超过钢板的设计容许应力。

图3 初始设计的横隔板von Mises应力云图（单位：Pa）

横隔板上还有其他一些区域，von Mises应力值超过设计容许应力，见表1所示。从表中也可以看到，由于车辆载荷是往右侧偏载，右侧区域的应力较左侧对应区域的应力大，这与图3中所示规律是一致的。

表1 初始设计的横隔板上出现的较大的应力值

B、C、D、F、G和H区域的von Mises应力值高于328MPa，意味着这些区域的钢材在最不利工况时可能发生屈服，这是设计所不允许的，横隔板构造需要进行优化设计。

3 横隔板的优化设计

3.1 结构优化分析

横隔板上A和B区域位于人孔上方的U肋过焊孔处，较大应力的出现源于人孔对此处横隔板的削弱。在构造不能改变的前提下，只能增加板厚。为保证所有U肋过焊孔处应力值不超限，将横隔板上部（不含挑臂部分）与U肋焊接的整块钢板加厚至24mm。