1、桥梁建设年第 卷第 期 （总第 期 ） ，（ ）文章编号 ：（）崇启大桥主桥钢箱梁高腹板设计孔庆凯 ，许春荣 ，朱斌 ，王志诚 ，魏乐永（中交公路规划设计院有限公司 ，北京）摘要 ：崇启大桥主桥采用 （）六跨变截面钢箱连续梁桥 ，主桥钢箱梁最高达。在该桥高腹板设计过程中 ，对国内 、外相关标准和规范进行研究 ，制定高腹板结构设计和验算思路 。腹板在顺桥向不同区段采用种不同的板厚 ，在箱梁内侧保持平齐 。腹板横肋纵向间距，加劲肋均采用形构造 ；腹板纵肋采用扁钢构造 。墩顶附近梁段靠近底板的腹板纵肋与横肋焊接 ，其余部位腹板纵肋在横肋处断开 。按照规范方法对腹板强度 、最小厚度及纵肋设置位置合理性
2、 、纵肋刚度 、横肋间距和刚度 、区格局部稳定性进行验算 ，并采用建立半桥板单元模型 ，对腹板强度和局部稳定性进行校核 ，结果表明 ，腹板设计满足规范要求 。关键词 ：连续梁桥 ；钢箱梁 ；腹板 ；设计 ；验算中图分类号 ：文献标志码 ： ， ， ， ， （ ， ，）： （） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ；收稿日期 ：作者简介 ：孔庆凯 ，高级工程师 ，：。研究方向 ：桥梁工程设计 。崇启大桥主桥钢箱梁高腹板设计孔庆凯 ，许春荣 ，朱斌 ，王志诚 ，魏乐永 桥梁概况崇启大桥位于长江入海口处跨越长江北支 ，主桥采用 （）的六跨变截面钢箱连续梁桥 ，其跨径和联长均居国内同类桥型首位
3、 ，桥跨布置见图。主桥钢箱梁根部梁高，高跨比，跨中梁高，高跨比，边跨梁高，梁高按照二次抛物线变化 。主梁标准横断面见图。图 桥跨布置 图 主梁标准横断面 高腹板设计方法的探索崇启大桥主墩墩顶梁高达，远高于常规斜拉桥 、悬索桥的钢箱梁 ，其高腹板稳定问题特别突出 ，如何保证最高达的钢梁腹板在弯矩 、剪力和局部横向集中力共同作用下不失稳 ，是崇启大桥钢箱梁设计的关键 。由于我国现行 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 制定较早 ，对于腹板强度和稳定性的设计规定相对简单 ，且适用范围有限 ，不能满足该桥高腹板设计及验算的要求 ，为此在该桥钢箱梁设计过程中 ，基于国内 、外相关标准和规范 （文献 ），对高
4、腹板设计方法进行了深入的探索 。经过分析 ，取得了以下认识 ：（）道路桥示方书 同解说 与我国现行 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 均采用容许应力法进行钢结构设计和验算 ，道路桥示方书 同解说 适用范围较广 ，而且针对腹板及加劲的设计有较为全面的规定 ，因此 ，该桥腹板设计时将 道路桥示方书 同解说 作为主要参考规范之一 。（）道路桥示方书 同解说 也有一定的不全面性 ，例如 ，关于对腹板验算的条款中没有考虑车轮局部荷载及支座支承力局部荷载对腹板的作用效应 ，即腹板边缘作用的横向短段荷载作用 ，而我国规范 钢结构设计规范 中则考虑了该作用效应 ，因此将 钢结 构 设 计 规 范 也作为主要的参
5、考规范之一 。（）采用 钢结构设计规范 进行结构设计验算时面临一个问题 ：该规范主要适用于工业与民用房屋和一般构造物的钢结构设计 ，除疲劳计算外 ，采用以概率论为基础的极限状态设计方法 ，而该桥钢箱梁的基本设计思想还是以容许应力法来设计和验算构件 。对于桥梁结构而言 ，活载及其他可变荷载所占荷载比重较大 ，因此在 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 第条中给定材料容许应力时 ，是以材料屈服强度为依据 ，除以综合安全系数得到 ，其中汽车超载系数按考虑 。而 钢结构设计规范 的构件强度设计值则未考虑超载系数一项 。以钢材为例 （板厚），通过对比发现 ，钢结构设计规范 给出的抗拉 、抗压和抗弯强度设计值
6、，抗剪强度设计值，公路桥涵钢结构及木结构设计规范 给出的弯曲应力容许值，剪应力容许值，两个规范之间相应应力的比值为和，与汽车超载系数基本一致 。因此 ，在崇启大桥钢箱梁及高腹板设计时提出 ，可以采用 钢结构设计规范 的相关条款对构造进行验算 ，但将该规范的强度设计值取值为 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 桥梁建设 ，（）的容许应力值 。综上 ，崇启大桥钢箱梁及高腹板设计时将我国钢结构设计规范 和日本 道路桥示方书 同解说 作为设计和验算的重要规范依据 。 腹板结构设计和验算思路该桥腹板最高为，腹板高厚比大 ，在设置足够横向加劲板的同时 ，必须设置更多段的纵肋。该桥腹板设计主要有以下特点 ：腹板
7、高度为，不同梁高腹板加劲肋的配置数量和位置不同 ；主梁顺桥向不同位置剪力 、弯矩 、局部竖向力 （横向短段荷载 ）变化较为复杂 ；腹板受力既要考虑成桥运营阶段 ，又要考虑制造 、运输 、安装等不同施工阶段 ；不同位置的腹板设计安全考核系数应当较为接近 ，以使全桥腹板的安全度较为均匀 、钢材用量趋于合理经济 。该桥高腹板的板厚和加劲肋设计复杂 ，设计和验算工作主要按以下思路开展 ：（）参照 钢结构设计规范 条 ，对腹板强度进行初步验算 ，从而初步确定各梁段的腹板厚度 。（）结合主梁顶 、底板横肋位置设置腹板横肋 。该桥顶 、底板横肋标准间距为，腹板的横肋在此基础上加密倍 ，即间距为。（）初步选取
8、各梁段腹板纵肋的段数 。（）参照 道路桥示方书 同解说 条 ，合理化设计腹板每段纵肋的竖向位置 。（）腹板厚度及加劲肋的位置初步确定后 ，根据 钢结构设计规范 和 道路桥示方书 同解说 对腹板及加劲肋的各项指标进行验算 ，并根据验算结果调整相关设计构造尺寸 ，直至各项验算指标满足规范要求并趋于合理 。（）利用有限元软件建立全桥或局部梁段板单元模型 ，对不利荷载作用下的腹板结构强度和稳定性进行校核计算 。 腹板结构构造设计腹板在顺桥向不同区段采用，种不同的板厚 ，腹板在箱梁内侧保持平齐 。腹板横肋的纵向间距为，分为种 ，一种为接顶板与底板加劲的横肋 图（），一种为在顶 、底板横肋之间设置的独立横
9、肋 图（），加劲肋均采用形构造 。腹板纵肋采用扁钢构造 ，腹板纵肋总体布置见图。墩顶附近梁段靠近底板的腹板纵肋与横肋焊接 ，见图（）；其余部位腹板纵肋在横肋处断图 腹板横肋 开 ，见图（）。 腹板结构设计验算 腹板强度验算参照 钢结构设计规范 条对腹板强度进行验算 。首先分别验算截面抗剪强度 、腹板横向局部承压强度 、抗弯强度 ：其中偏不利地考虑按照传力 ，取。剪力滞系数畸变 各参数的含义参见 钢结构设计规范 条 。正应力在第一体系弯矩产生的正应力基础上 ，还应考虑剪力滞效应和约束扭转翘曲产生的畸变正应力 。该桥钢箱梁支点处剪力滞系数为，畸变正应力约为容许应力的。、按照 公路桥涵钢结构及木结构
10、设计规范 的规定取值 。在对各分项进行验算后 ，还应根据 钢结构设计规范 条对折算应力进行验算 ：槡在最不利组合下 ，支点处腹板下缘最不利的折崇启大桥主桥钢箱梁高腹板设计孔庆凯 ，许春荣 ，朱斌 ，王志诚 ，魏乐永算应力为，小于规范限值。 腹板最小厚度及纵肋设置位置合理性验算参照 道路桥示方书 同解说 条 ，对腹板的最小板厚进行验算 。当腹板上有根纵肋时 ，在高度方向将腹板划分为个区格 ，对于每一个单独的区格对应的最小腹板厚度要分别满足以下方程的要求 ：（）（ ）（ ）槡 槡（）（）（）（ ）（ ）槡 槡其中 ：（）；（）；（），；（ ），（ ），烅烄烆以上各式参数意义如下 ：为安全系数临界值
11、 ；为腹板厚 ；为区格高度 ；为横肋间距 ；为腹板中的纵向应力 ，应力以压为正 ；为腹板单元中产生的剪应力 ；为宽厚比系数 ；为腹板板件区格上 、下缘的应力比 ；为腹板板件剪力和上 、下缘较大应力的比值 ；为相对于轴向应力的屈曲系数；为相对于剪应力的屈曲系数；对应于竖向每个区格 ，都求出一个最小腹板厚度，实际所采用的腹板厚度应大于中的最大者 。当所有求得的之间相差不大时 ，可以认为腹板纵肋的设置位置最为合理 。该桥在腹板纵肋竖向位置设计基于以上原则进行了若干次优化调整后 ，最终确定了纵肋的布置位置见图。 腹板纵肋刚度验算参照 道路桥示方书 同解说 （）条 ，验算腹板纵肋的刚度 。纵肋对腹板的截
12、面惯性矩 ： 式中 ，为腹板厚 ；为腹板总宽 ；为必要刚度比 ，为横肋间距 。 腹板横肋间距验算腹板横肋设置的主要目的是防止腹板剪切失稳 ，在同时设置纵肋情况下 ，靠受拉翼缘侧的区格高度最大 ，较易出现剪切失稳 ，因此一般通过验算该区格的稳定来确定横肋间距的最大值 。该桥参照 道路桥示方书 同解说 条对横肋间距进行了参考性验算 。该规范给出了最多条纵肋情况下横肋间距的验算方法 ，对设置段以上纵肋的腹板 ，其桥梁建设 ，（）验算结果可作为设计参考 。对于横肋间距的验算主要还是采用区格验算方法以及有限元软件分析方法 。 腹板横肋刚度验算参照 道路桥示方书 同解说 条 ，验算腹板横肋的刚度 。横肋对
13、腹板的截面惯性矩 ： 式中 ，（ ）。 腹板区格局部稳定性验算腹板板块承受纵向弯曲应力 、横向应力 、剪应力的屈曲交叉影响 ，该桥参照 钢结构设计规范 条 ，对腹板各区格进行局部稳定性的验算 。 受压翼缘与纵肋间及受压纵肋间的区格钢结构设计规范 只给出了受压翼缘与纵肋之间的区格的验算方法 ，对受压纵肋之间的区格验算则没有明确规定 。而在文献 第条 “腹板板块屈曲 ”中提出 ：“所有内侧的腹板板块 （即不与翼缘毗连者 ）都可按在面内有约束处理 ”，也就是说 ，受压纵肋之间的区格也可以按照受压翼缘与纵肋之间的区格的验算方法进行稳定性验算 ，将受压应力较大的纵肋视作受压翼缘即可 。此类区格验算应满足
14、下式 ：（ ），（ ）式中各参数的含义和计算方法见 钢结构设计规范 ，该桥验算时将 钢结构设计规范 所采用的设计应力以 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 中的容许应力替代 。以支点处钢箱梁根部为例 ，该位置腹板共划分为个区格 ，下面个区格均为全压区格 ，经验算 ，在最不利工况下 ，全压区格稳定检验系数自下而上分别为、，均小于，满足规范要求 。 受拉翼缘与纵肋之间的区格此类区格验算应满足下式 ：（ ）（ ），式中各参数的定义和计算方法见 钢结构设计规范 ，该桥验算时同样将 钢结构设计规范 所采用的设计应力以 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 中的容许应力替代 。以支点处钢箱梁根部为例 ，该位置腹板共
15、划分为个区格 ，最上面个区格为区格上缘受拉 ，区格下缘受压 ，经验算 ，在最不利工况下 ，其区格稳定检验系数为，小于，满足规范要求 。 有限元分析 强度验算采用有限元软件建立半桥板单元模型 ，用单元模拟钢箱梁各板件 、单元模拟桁架式横隔板 ，单元模拟对称的另一半桥 ，单元与板单元节点在连接处刚接 。全桥整体计算有限元模型见图。以此模型为基础 ，施加于腹板较不利的荷载工况 ，对按照规范方法所验算的腹板强度进行校核 。结果表明 ，腹板强度满足规范要求 。 局部稳定验算在参照规范进行稳定性分析之后 ，采用建立板单元有限元模型 ，对较不利位置腹板分别进行分析 ，对参照规范方法所验算的腹板局部稳定性进行
16、校核 。对墩顶支座部位腹板局部稳定的分析结果见图，腹板阶失稳模态屈曲系数为，满足规范要求 。 结语崇启大桥于年月完成全部上部结构架图 全桥整体计算有限元模型 崇启大桥主桥钢箱梁高腹板设计孔庆凯 ，许春荣 ，朱斌 ，王志诚 ，魏乐永图 支点处腹板 阶失稳模态 设 ，年月日通车 ，施工过程进展顺利 。该桥主桥上部结构的成功设计 、施工为国内大跨度钢箱连续梁建设做了一定的初步探索和技术储备 ，为国内大跨钢箱连续梁在海湾地区及运输条件较佳的地区广泛应用起到了推广作用 。我国现行 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 制定较早 ，不能满足该桥高腹板及加劲肋设计和验算的要求 ，该桥在高腹板设计过程中所做的一些探
17、索和研究及详细实用的构造设计和验算方法 ，可供国内其他同类钢箱梁桥设计参考 。崇启大桥建成实景见图。图 崇启大桥建成实景 参考文献 （）： ，公路桥涵钢结构及木结构设计规范 （ ， ） ：， ： 道路桥示方书 同解说 ：， ： ，钢结构设计规范 （ ， ） ，铁路钢桥设计规范 （ ， ）吴冲 现代钢桥 （上册 ）北京 ：人民交通出版社 ，（ ： ， ）许春荣 ，王志诚 ，朱斌 ，等 崇启大桥主桥上部结构设计 年全国桥梁学术会议论文集 北京 ：人民交通出版社 ，：（ ， ， ， ： ，： ）日本长大株式会社 崇启长江公路大桥钢箱梁施工图设计技术咨询报告 （ ， ） ， 桥梁建设 ，（） 孔庆凯，
18、男 ，高级工程师年毕业于西南交通大学土木工程专业 ，工学学士 ，年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业 ，工学硕士 。研究方向 ：桥梁工程设计： 许春荣，男 ，教授级高工年毕业于东南大学交通运输工程专业 ，工学学士 。研究方向 ：桥梁工程设计： 朱斌，男 ，高级工程师年毕业于东南大学交通运输工程专业 ，工学学士 。研究方向 ：桥梁工程设计： 王志诚，男 ，工程师年毕业于西南交通大学土木工程专业 ，工学学士 ，年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业 ，工学硕士 。研究方向 ：桥梁工程设计： 魏乐永，男 ，工程师年毕业于同济大学土木工程专业 ，工学学士 ，年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业 。研究方向 ：桥梁工程设计：（编辑 ：叶青 ）
