第7章 箱梁橋

1、CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 第7章 箱梁橋 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.1 概述 7.1.1 箱形截面梁橋的特點 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。 a) b) c) CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.2表示

2、箱梁在無加勁的情況下可能出現(xiàn)的問題。 圖7.2表示箱梁在無加勁的情況下可能出現(xiàn)的問題，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， 彎矩達到臨界彎矩時會發(fā)生彎折破壞，稱為屈服現(xiàn)象。 d) e) a) b)c) f) 圖7.2 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖d則是在扭矩T作用下的變形，當(dāng)T達到臨界扭矩時 也會使箱梁出現(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）。

3、 d) e) a) b)c) f) 圖7.2 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 箱形截面梁的主要優(yōu)點是： 1.質(zhì)量輕、用鋼量小； 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； 6.外形簡潔、美觀。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.1.2 箱形梁橋的發(fā)展簡況 表7.1列出部分跨徑超過200m的箱梁橋 國國 別別橋橋 名名類類 別別跨跨 徑（徑（m） 聯(lián)邦德國聯(lián)邦德國 聯(lián)邦德國聯(lián)邦德國 聯(lián)邦德國

4、聯(lián)邦德國 奧地利奧地利 英國英國 南斯拉夫南斯拉夫 法國法國 聯(lián)邦德國聯(lián)邦德國 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 薩瓦二號橋薩瓦二號橋 培拿臺橋培拿臺橋 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 103206103 120218.8（6跨）跨） 103235103 120210+83 377+149.5+213.5+149.5+77 42+250

5、+40 60+65+110+200+110+65 73.5+259+144.5+119.5 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.2 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 UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 加勁縱肋的截面形式分為開口截面和閉口截面（圖 7.4）。開口截面中有平鋼板（圖7.4，1a）,正、偏頭鋼 板（圖7.4，1b,1c,1d）,不等邊角鋼（圖7.4，1e）

6、和倒 T形的（圖7.4，1f）。 1a) 1b) 1c) 1d)1e) 1f) 圖7.4加勁縱肋的開口截面形式 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN 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 UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.3 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

7、干塊，各塊再分成許多單元。橫 肋面內(nèi)單元節(jié)點編號應(yīng)使節(jié)點的號碼差額為最小，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。 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)荷載項作為方程右邊項（荷載向量）；單 元的面積上的分布荷載可用等效節(jié)點荷載代替。如果存 在幾種荷載情況，那么建立荷載矩陣。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 5.應(yīng)用該問題的邊界條件。 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，這樣可以減少計算時間將節(jié)點的位移求出（即 位移向量）。

8、 7.將位移向量乘以剛度矩陣，可求出反力。沒有規(guī)定 位移的各點的反力為殘余荷載，可作為檢查解答的精確 度之用。 8.從總體坐標將節(jié)點位移逆變換至單元坐標；剛度矩 陣乘以位移可求出應(yīng)力。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 在平面應(yīng)力作用中，四邊形單元每個節(jié)點有三個自 由度：兩個節(jié)點位移和一個節(jié)點轉(zhuǎn)角（圖7.5）。 z y x i j k l u v i i zi y x yi xi i j k l i g o n g xy yg o k xk yk 圖7.5a)箱梁結(jié)構(gòu)劃分成有限元； b)具有12個自由度的四邊形平面應(yīng)力

9、元c)12個自由度的四邊形薄板彎曲單元 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.3.2 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。這些梁壁的長度，在絕大多數(shù)情況下，和寬度相比是 高階數(shù)量級，而其寬度在實質(zhì)上又比厚度大的多。因此， 每一梁壁（第j個）可視為一框架構(gòu)件。構(gòu)件的軸為第j個 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）的端點在梁壁的邊界處，也就是實際結(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

10、之半的實際結(jié)構(gòu)的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，箱梁的各梁壁可代之以圖7.6b 所示魚脊骨，因此有時也稱之為魚脊骨法。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.6）空間框架）魚脊骨 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.3.3 7.3.3 平板法平板法 根據(jù)箱梁各部分的實際空間作用的多箱室寬截面箱梁 結(jié)構(gòu)的分析，考慮實

11、際型式、結(jié)構(gòu)橫隔板的位置和關(guān)系， 直接得出內(nèi)力的計算方法。結(jié)構(gòu)實際的剛度表達式表達為 平板理論中的幾個剛度常數(shù)，和通過計算所得到的平板內(nèi) 力分配到空間結(jié)構(gòu)的各部分，就是這種方法需待解決的兩 個問題。 模擬實際結(jié)構(gòu)最簡單的方法，是用正交異性板代替， 該板為實體其厚度可按相應(yīng)于實際結(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 達出來，但是扭轉(zhuǎn)性能不很確切，荷載橫向分布在無橫隔 板及薄壁的結(jié)構(gòu)中則估計過高。因此，這種替代對于表示 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 UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN

12、 UNIVERSITY V B V a a t t B a th y x y x t t h y y x x a) b) d) c) V a H h V H a B V B V a 2 2 2 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)構(gòu)橫向框架 的性能（圖7.7b）。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.3.4 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

13、由平板或由平板和橫隔板相連接， 同時往往是斜交的，按照折板理論的方法求解，在某些 情況下（特別對于初步設(shè)計）太復(fù)雜。在這種情況下， 把實際結(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算機程序，可以輕而易舉地 完成。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.4 箱梁橋的計算特點 7.4.1 箱梁的剪力滯效應(yīng) 如圖7.8，T梁受彎曲 時，在翼緣的縱向邊緣上 （在梁肋切開處）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，將 產(chǎn)生剪切扭轉(zhuǎn)變形。 圖7.8T梁翼緣上的力 CHA

14、NGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY b tw b Bu/2 z twl hbhu h y 圖7.9 對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 UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.10 受負剪力滯影響的典型彎曲應(yīng)力分布 y z CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY (一)橫向效應(yīng) 圖7.11繪出了簡 支梁受集中荷載時 的剪力滯系數(shù)沿 箱梁截面上下翼板 上的

15、分布情況。 P 4040 下 上 1.2 1.0 0.8 0.8 1.0 1.2 圖7.11簡支梁受集中荷載（跨中截面） CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY (二)縱向效應(yīng) 圖7.12表示簡支梁在不同位置受集中力時的剪力滯 縱向效應(yīng)。 圖7.12 簡支梁受集中力時腹板與翼緣板交角處剪力滯系數(shù)在縱向的變化 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 PPPP 10101010 e CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY (三)參數(shù)影響 圖7.13至圖

16、7.16表示了不同結(jié)構(gòu)、不同荷載形式時 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為上下板對截面 形心慣矩，I為整個截面對形心慣矩。 e IIsbL 2 e 圖7.13剪力滯效應(yīng)隨寬跨比變化（跨中截面） e 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 46810 L/2b P L/2L/2 I I s CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.14剪力滯效應(yīng)隨寬跨比變化（內(nèi)支點截面） e 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 46810 L/2b LL q 12 1.5 I I s CH

17、ANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.15剪力滯效應(yīng)隨慣矩比變化（跨中截面） e 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 0.60.70.80.9 I P L/2L/2 I s L 2b =5.56 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.16剪力滯效應(yīng)隨慣矩比變化（內(nèi)支點截面） e 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 0.60.70.80.9 LL q 1.0 1.5 L 2b =5.56 I I s CHANGAN UNIVERSITYC

18、HANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 7.4.2 梁肋的有效寬度計算 箱形梁在計算縱向彎曲應(yīng)力時仍然按一般翼緣梁計 算，其彎曲正應(yīng)力為： 在截面面積A及慣性矩I的計算中，由于箱梁寬大的 頂、底板，故其遠離梁肋的翼緣將起很小的作用，稱為 “剪力滯后”，為此要限定計算的翼緣寬度，稱為有效 翼 緣寬度。 M z I CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 1.簡支梁的有效翼緣寬度計算 圖7.17a為一個無懸臂翼緣的箱梁，當(dāng)計算上翼緣有效 寬度時，將底板面積之半分別放在腹板下方，代換成 形 截面（圖

19、7.17b），計算下翼緣有效寬度時則將頂板面積之 半各作用在腹板上方，形成U形截面（圖7.17c）。 圖7.17 bb 2At 2Au AtAt bmubmu AuAu bmtbmt a)b)c) CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.18 對帶有頂板懸臂的箱梁（圖7.18a），計算懸臂部分有 效寬度時，可將腹板間的頂、底板面積和腹板面積都集中 箱梁對稱中線，形成T形截面（圖7.18b）；計算上翼緣有 效寬度時，將懸臂面積集中到腹板上方，形成形截面 （圖7.18c）；計算下翼緣有效寬度時，將頂板面積集中到 腹板上方形

20、成U形截面（圖7.18d）。 bcbcbb 2Au 2At AcActwtw bcbc 2Au 2At 2tw 2Au AcAc bmtbmt AtAt Ac+AuAc+Au bmtbmt a) b) c)d) CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 上述的形、U形和T形截面，翼緣寬度bc、 bmu 和 bmt(用bm代表)按下式計算： （7.19） 式中： m 2 1 3 11.512 b k Pqlx b l lbb Pqlk Pqlx bl 2 . 1 5 . 1 k CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN

21、 UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 當(dāng)時， ； 5時，； 當(dāng)時， ； 10時， ； 5bl 1 bl k bl th 2 /10l b 1x bl k bl shx 2 1 1 1 1 al R J Ah F A 2 2 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY l梁的跨徑； 2b翼緣寬； v泊松系數(shù)； 縱肋間距； R一個縱肋的截面積； 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； a bRbt A 2 1 CHANGAN UNIVERSITYC

22、HANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 2.連續(xù)梁的有效翼緣寬度 對于連續(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)梁有效翼緣寬度計算的一種實用方法 是將連續(xù)梁換算為等效的簡支梁，從而利用簡支梁的計 算方法來進行計算，例如圖7.19的三跨連續(xù)梁。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY 圖7.19 R1R2 l1l2l3l4l5 l1l2l3l4l5 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANG

23、AN UNIVERSITY 7.5 箱梁橋的施工技術(shù) 鋼梁的架設(shè)方法有很多，按架設(shè)機械來分： （1）行走吊機架設(shè)法：當(dāng)在地上安裝高度不大的板 梁時，最好采用這個方法。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 機將主梁逐孔起吊，架設(shè)在橋臺橋墩之間，然后安裝 連接系和橋面。這個方法在城市高架橋中得到廣泛應(yīng) 用。 （2）門吊架設(shè)法：在離地面高度大致相同，架設(shè)連 續(xù)多孔板梁時是很方便的架設(shè)方法，只需設(shè)二個龍門 吊機和吊機縱向移動軌道，設(shè)備簡單、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)簡單，但浮吊用料較多，小工程 采用不經(jīng)濟，應(yīng)比較采用。

24、 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY （4）懸臂架設(shè)法：用移動式剛腿轉(zhuǎn)臂起重機，一面 拼裝，一面逐漸向前推進。這是我國常采用的方法。 （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控 制前進，在機械設(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，同時將梁向前拉曳進行架設(shè)，僅適用于小跨徑 橋梁。 CHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITYCHANGAN UNIVERSITY （7）纜索吊機架設(shè)法