第7章 箱梁橋

1、CHANGAN UNIVERSITY第7章 箱梁橋 CHANGAN UNIVERSITY7.1 概述 7.1.1 箱形截面梁橋的特點(diǎn) 箱形截面梁橋系指其主梁為薄壁閉合截面形式的梁橋。圖7.1表示一些箱梁的構(gòu)造形式，其中圖a及圖b是鋼筋混凝土橋面的單箱和雙箱主梁，圖c是工字鋼與箱梁并用，這種形式較為少見(jiàn)。 a)b)c)CHANGAN UNIVERSITY 圖7.2表示箱梁在無(wú)加勁的情況下可能出現(xiàn)的問(wèn)題。圖7.2表示箱梁在無(wú)加勁的情況下可能出現(xiàn)的問(wèn)題，圖b為垂直荷載作用下截面發(fā)生變形。在集中荷載作用點(diǎn)附近受壓翼緣的局部屈曲和腹板的壓皺。圖c則是在彎矩作用下，橫截面趨于扁平的變形，導(dǎo)致截面慣性矩下降

2、，彎矩達(dá)到臨界彎矩時(shí)會(huì)發(fā)生彎折破壞，稱為屈服現(xiàn)象。d)e)a)b)c)f)圖7.2CHANGAN UNIVERSITY 圖d則是在扭矩T作用下的變形，當(dāng)T達(dá)到臨界扭矩時(shí)也會(huì)使箱梁出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。因此為提高箱梁承載能力就要設(shè)置足夠的橫隔板（圖e）或橫隔板和加勁肋（圖f）。 d)e)a)b)c)f)圖7.2CHANGAN UNIVERSITY箱形截面梁的主要優(yōu)點(diǎn)是： 1.質(zhì)量輕、用鋼量??； 2.抗彎和抗扭剛度大； 3.適用于做成連續(xù)梁； 4.受力體系合理； 5.安裝迅速、便于養(yǎng)護(hù)； 6.外形簡(jiǎn)潔、美觀。CHANGAN UNIVERSITY7.1.2 箱形梁橋的發(fā)展簡(jiǎn)況 表7.1列出部分跨徑超過(guò)200

3、m的箱梁橋 國(guó)國(guó) 別別橋橋 名名類(lèi)類(lèi) 別別跨跨 徑（徑（m）聯(lián)邦德國(guó)聯(lián)邦德國(guó)聯(lián)邦德國(guó)聯(lián)邦德國(guó)聯(lián)邦德國(guó)聯(lián)邦德國(guó)奧地利奧地利英國(guó)英國(guó)南斯拉夫南斯拉夫法國(guó)法國(guó)聯(lián)邦德國(guó)聯(lián)邦德國(guó)杜賽多夫杜賽多夫-諾伊斯諾伊斯莫賽爾河谷高架橋莫賽爾河谷高架橋科布倫茨萊茵河橋科布倫茨萊茵河橋維也納多瑙河橋維也納多瑙河橋米爾弗德港橋米爾弗德港橋薩瓦二號(hào)橋薩瓦二號(hào)橋培拿臺(tái)橋培拿臺(tái)橋科林市萊茵河橋科林市萊茵河橋錨焊箱梁錨焊箱梁栓焊箱梁栓焊箱梁箱箱 梁梁栓焊箱梁栓焊箱梁箱箱 形形 梁梁栓焊箱梁栓焊箱梁全焊箱梁全焊箱梁變截面雙箱變截面雙箱103206103120218.8（6跨）跨）103235103120210+83377+149

4、.5+213.5+149.5+7742+250+4060+65+110+200+110+6573.5+259+144.5+119.5CHANGAN UNIVERSITY7.2 箱梁橋的一般構(gòu)造 箱梁截面梁的構(gòu)成部分主要是頂、底板、腹板和加勁構(gòu)件（圖7.3） 圖7.3 箱梁截面梁的構(gòu)成CHANGAN UNIVERSITY 加勁縱肋的截面形式分為開(kāi)口截面和閉口截面（圖7.4）。開(kāi)口截面中有平鋼板（圖7.4，1a）,正、偏頭鋼板（圖7.4，1b,1c,1d）,不等邊角鋼（圖7.4，1e）和倒T形的（圖7.4，1f）。 1a)1b)1c)1d)1e)1f)圖7.4加勁縱肋的開(kāi)口截面形式CHANGAN

5、UNIVERSITY閉口截面又分為U形（圖7.4，2a），V形（圖7.4，2b,2c,2d,3b）和Y形（圖7.4，3a）。 圖7.4加勁縱肋的閉口截面形式2a)2b)2c)2d)3b)3a)CHANGAN UNIVERSITY7.3 箱梁橋的結(jié)構(gòu)分析方法7.3.1 有限元法基本步驟： 1.將結(jié)構(gòu)縱向分為若干塊，各塊再分成許多單元。橫肋面內(nèi)單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)應(yīng)使節(jié)點(diǎn)的號(hào)碼差額為最小，這樣可使方程式的帶寬為最小。 2.建立各單元的剛度矩陣，并變換為總體坐標(biāo)。 3.按照直接剛度法原理，將各剛度矩陣匯編為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。 4.建立結(jié)構(gòu)荷載項(xiàng)作為方程右邊項(xiàng)（荷載向量）；單元的面積上的分布荷載可用等效節(jié)點(diǎn)荷載

6、代替。如果存在幾種荷載情況，那么建立荷載矩陣。 CHANGAN UNIVERSITY 5.應(yīng)用該問(wèn)題的邊界條件。 6.最好利用結(jié)構(gòu)剛度矩陣的帶寬的特性求解線性代數(shù)方程組，這樣可以減少計(jì)算時(shí)間將節(jié)點(diǎn)的位移求出（即位移向量）。 7.將位移向量乘以剛度矩陣，可求出反力。沒(méi)有規(guī)定位移的各點(diǎn)的反力為殘余荷載，可作為檢查解答的精確度之用。 8.從總體坐標(biāo)將節(jié)點(diǎn)位移逆變換至單元坐標(biāo)；剛度矩陣乘以位移可求出應(yīng)力。 CHANGAN UNIVERSITY 在平面應(yīng)力作用中，四邊形單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位移和一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角（圖7.5）。 zyxijkluviiziyxyixiijkligongxyygok

7、xkyk圖7.5a)箱梁結(jié)構(gòu)劃分成有限元；b)具有12個(gè)自由度的四邊形平面應(yīng)力元c)12個(gè)自由度的四邊形薄板彎曲單元CHANGAN UNIVERSITY7.3.2 空間框架結(jié)構(gòu)法箱梁通常由不在一平面內(nèi)的梁壁沿縱向相互連接而組成。這些梁壁的長(zhǎng)度，在絕大多數(shù)情況下，和寬度相比是高階數(shù)量級(jí)，而其寬度在實(shí)質(zhì)上又比厚度大的多。因此，每一梁壁（第j個(gè)）可視為一框架構(gòu)件。構(gòu)件的軸為第j個(gè)梁壁界面重心的軌跡；該軸上的連接鏈桿（通常盡可能垂直于該軸）的端點(diǎn)在梁壁的邊界處，也就是實(shí)際結(jié)構(gòu)的邊緣，在該處與相鄰梁壁的連接鏈桿相遇（圖7.6a）。垂直于梁壁平面的鏈桿的撓曲剛度，可以代替從相鄰兩鏈桿的距離之半的實(shí)際結(jié)構(gòu)的

8、梁壁的橫向撓曲剛度；在梁壁平面內(nèi)的撓曲剛度，根據(jù)箱梁各梁壁界面為平面的假設(shè)為無(wú)限大；鏈桿的抗扭剛度，應(yīng)根據(jù)桿件及平板在扭矩作用下各種不同的效果確定。這時(shí)，箱梁的各梁壁可代之以圖7.6b所示魚(yú)脊骨，因此有時(shí)也稱之為魚(yú)脊骨法。 CHANGAN UNIVERSITY圖7.6）空間框架）魚(yú)脊骨CHANGAN UNIVERSITY7.3.3 7.3.3 平板法平板法 根據(jù)箱梁各部分的實(shí)際空間作用的多箱室寬截面箱梁結(jié)構(gòu)的分析，考慮實(shí)際型式、結(jié)構(gòu)橫隔板的位置和關(guān)系，直接得出內(nèi)力的計(jì)算方法。結(jié)構(gòu)實(shí)際的剛度表達(dá)式表達(dá)為平板理論中的幾個(gè)剛度常數(shù)，和通過(guò)計(jì)算所得到的平板內(nèi)力分配到空間結(jié)構(gòu)的各部分，就是這種方法需待解

9、決的兩個(gè)問(wèn)題。模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的方法，是用正交異性板代替，該板為實(shí)體其厚度可按相應(yīng)于實(shí)際結(jié)構(gòu)的撓曲剛度確定。這樣代替后，作為整體，結(jié)構(gòu)的受彎性能可以相當(dāng)好的表達(dá)出來(lái)，但是扭轉(zhuǎn)性能不很確切，荷載橫向分布在無(wú)橫隔板及薄壁的結(jié)構(gòu)中則估計(jì)過(guò)高。因此，這種替代對(duì)于表示結(jié)構(gòu)的總的性能或者分析不明顯的集中荷載的影響比較合適。 CHANGAN UNIVERSITYVBVaattBathyxyxtthyyxxa)b)d)c)VaHhVHaBVBVa222圖7.7 用正交各向異性板替代，可得較好的結(jié)果，而三層組合的夾層板，結(jié)果更好：邊緣層表示上下翼緣的影響，內(nèi)層（夾心層）僅傳遞剪力影響，這種剪力影響表示剪切和結(jié)

10、構(gòu)橫向框架的性能（圖7.7b）。 CHANGAN UNIVERSITY7.3.4 格柵法 由大量箱梁組成的較寬的結(jié)構(gòu)，其本身不具有明顯的薄壁性能，各箱梁由平板或由平板和橫隔板相連接，同時(shí)往往是斜交的，按照折板理論的方法求解，在某些情況下（特別對(duì)于初步設(shè)計(jì)）太復(fù)雜。在這種情況下，把實(shí)際結(jié)構(gòu)作為格柵，可以求得最佳的結(jié)果，這種格柵分析可借助于易于使用的計(jì)算機(jī)程序，可以輕而易舉地完成。 CHANGAN UNIVERSITY7.4 箱梁橋的計(jì)算特點(diǎn)7.4.1 箱梁的剪力滯效應(yīng)如圖7.8，T梁受彎曲時(shí)，在翼緣的縱向邊緣上（在梁肋切開(kāi)處）存在著板平面內(nèi)的橫向力和剪力流；翼緣在橫向力與偏心的邊緣剪力流作用下，

11、將產(chǎn)生剪切扭轉(zhuǎn)變形。 圖7.8T梁翼緣上的力 CHANGAN UNIVERSITYbtwbBu/2ztwlhbhuhy圖7.9 對(duì)稱帶懸臂板的單箱單室箱形截面 的彎曲應(yīng)力分布（考慮剪力滯效應(yīng)） CHANGAN UNIVERSITY圖7.10 受負(fù)剪力滯影響的典型彎曲應(yīng)力分布yzCHANGAN UNIVERSITY (一)橫向效應(yīng)圖7.11繪出了簡(jiǎn)支梁受集中荷載時(shí)的剪力滯系數(shù)沿 箱梁截面上下翼板 上的分布情況。 P4040下上1.21.00.80.81.01.2圖7.11簡(jiǎn)支梁受集中荷載（跨中截面） CHANGAN UNIVERSITY(二)縱向效應(yīng) 圖7.12表示簡(jiǎn)支梁在不同位置受集中力時(shí)的剪

12、力滯縱向效應(yīng)。 圖7.12 簡(jiǎn)支梁受集中力時(shí)腹板與翼緣板交角處剪力滯系數(shù)在縱向的變化 1.01.11.21.31.41.5PPPP10101010eCHANGAN UNIVERSITY(三)參數(shù)影響 圖7.13至圖7.16表示了不同結(jié)構(gòu)、不同荷載形式時(shí)與或的關(guān)系。為腹板與翼緣板交界處的剪力滯系數(shù)。L為跨徑，2b為箱梁凈寬。Is為上下板對(duì)截面形心慣矩，I為整個(gè)截面對(duì)形心慣矩。eIIsbL 2e圖7.13剪力滯效應(yīng)隨寬跨比變化（跨中截面） e1.01.11.21.31.446810L/2bPL/2L/2IIsCHANGAN UNIVERSITY圖7.14剪力滯效應(yīng)隨寬跨比變化（內(nèi)支點(diǎn)截面） e1.

13、01.11.21.31.446810L/2bLLq121.5IIsCHANGAN UNIVERSITY圖7.15剪力滯效應(yīng)隨慣矩比變化（跨中截面） e1.01.11.21.31.40.60.70.80.9IPL/2L/2IsL2b=5.56CHANGAN UNIVERSITY圖7.16剪力滯效應(yīng)隨慣矩比變化（內(nèi)支點(diǎn)截面） e1.01.11.21.31.40.60.70.80.9LLq1.01.5L2b=5.56IIsCHANGAN UNIVERSITY7.4.2 梁肋的有效寬度計(jì)算 箱形梁在計(jì)算縱向彎曲應(yīng)力時(shí)仍然按一般翼緣梁計(jì)算，其彎曲正應(yīng)力為： 在截面面積A及慣性矩I的計(jì)算中，由于箱梁寬大的

14、頂、底板，故其遠(yuǎn)離梁肋的翼緣將起很小的作用，稱為“剪力滯后”，為此要限定計(jì)算的翼緣寬度，稱為有效翼緣寬度。 M zICHANGAN UNIVERSITY 1.簡(jiǎn)支梁的有效翼緣寬度計(jì)算 圖7.17a為一個(gè)無(wú)懸臂翼緣的箱梁，當(dāng)計(jì)算上翼緣有效寬度時(shí)，將底板面積之半分別放在腹板下方，代換成 形截面（圖7.17b），計(jì)算下翼緣有效寬度時(shí)則將頂板面積之半各作用在腹板上方，形成U形截面（圖7.17c）。 圖7.17bb2At2AuAtAtbmubmuAuAubmtbmta)b)c)CHANGAN UNIVERSITY圖7.18 對(duì)帶有頂板懸臂的箱梁（圖7.18a），計(jì)算懸臂部分有效寬度時(shí)，可將腹板間的頂、底

15、板面積和腹板面積都集中箱梁對(duì)稱中線，形成T形截面（圖7.18b）；計(jì)算上翼緣有效寬度時(shí)，將懸臂面積集中到腹板上方，形成形截面（圖7.18c）；計(jì)算下翼緣有效寬度時(shí)，將頂板面積集中到腹板上方形成U形截面（圖7.18d）。 bcbcbb2Au2AtAcActwtwbcbc2Au2At2tw2AuAcAcbmtbmtAtAtAc+AuAc+Aubmtbmta)b)c)d)CHANGAN UNIVERSITY 上述的形、U形和T形截面，翼緣寬度bc、 bmu 和bmt(用bm代表)按下式計(jì)算：（7.19）式中： m213 11.512bk PqlxbllbbPqlk Pqlxbl 2 . 15 . 1

16、kCHANGAN UNIVERSITY當(dāng)時(shí)， ； 5時(shí)，；當(dāng)時(shí)， ；10時(shí)， ； 5bl1blkblth2/10l b 1x blkblshx21111alRJAhFA22CHANGAN UNIVERSITYl梁的跨徑；2b翼緣寬；v泊松系數(shù)；縱肋間距；R一個(gè)縱肋的截面積；t翼緣板厚度；h正交異性翼緣板的中性軸與箱梁截面中性軸之間的距離；F,J箱形梁的截面積及慣性矩；abRbtA21CHANGAN UNIVERSITY2.連續(xù)梁的有效翼緣寬度 對(duì)于連續(xù)梁剪力滯后的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)由于中間支點(diǎn)處有很大的集中反力作用，在此截面發(fā)生顯著的剪力滯后現(xiàn)象。連續(xù)梁有效翼緣寬度計(jì)算的一種實(shí)用方法是將連續(xù)梁換

17、算為等效的簡(jiǎn)支梁，從而利用簡(jiǎn)支梁的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，例如圖7.19的三跨連續(xù)梁。 CHANGAN UNIVERSITY圖7.19R1R2l1l2l3l4l5l1l2l3l4l5CHANGAN UNIVERSITY7.5 箱梁橋的施工技術(shù)鋼梁的架設(shè)方法有很多，按架設(shè)機(jī)械來(lái)分：（1）行走吊機(jī)架設(shè)法：當(dāng)在地上安裝高度不大的板梁時(shí)，最好采用這個(gè)方法。其步驟是將主梁部分在工廠或工地附近整孔拼裝，完成工地連接后，用行走吊機(jī)將主梁逐孔起吊，架設(shè)在橋臺(tái)橋墩之間，然后安裝連接系和橋面。這個(gè)方法在城市高架橋中得到廣泛應(yīng)用。（2）門(mén)吊架設(shè)法：在離地面高度大致相同，架設(shè)連續(xù)多孔板梁時(shí)是很方便的架設(shè)方法，只需設(shè)二個(gè)龍

18、門(mén)吊機(jī)和吊機(jī)縱向移動(dòng)軌道，設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便。（3）浮吊架設(shè)法：在河上和海上利用大噸位浮吊整孔架設(shè)鋼梁。架設(shè)簡(jiǎn)單，但浮吊用料較多，小工程采用不經(jīng)濟(jì)，應(yīng)比較采用。 CHANGAN UNIVERSITY（4）懸臂架設(shè)法：用移動(dòng)式剛腿轉(zhuǎn)臂起重機(jī)，一面拼裝，一面逐漸向前推進(jìn)。這是我國(guó)常采用的方法。（5）縱向拖拉法：有梁上設(shè)扒桿方法和導(dǎo)梁拖拉法以及縱向連接拖拉法。梁上設(shè)扒桿方法是在架設(shè)梁后端連接平衡重，在平衡重前端設(shè)扒桿，從扒桿頂端引出吊索吊住架設(shè)梁的前后端，吊索由平衡重上絞車(chē)控制前進(jìn)，在機(jī)械設(shè)備較差的工地可以采用。導(dǎo)梁拖拉法和縱向連接拖拉法是我國(guó)常用的方法，往往兩者聯(lián)合使用，其附加設(shè)備少，工期較短。（6）釣魚(yú)法：在前后橋墩上豎立支柱或扒桿，用吊索吊住梁起安全固定作用，并用另一組吊索吊住梁的前端，同時(shí)將梁向前拉曳進(jìn)行架設(shè)，僅適用于小跨徑橋梁。 CHANGAN UNIVERSITY（7）纜索吊機(jī)架設(shè)法：采用方法同拱橋中的無(wú)支架吊裝。（8）浮運(yùn)