钢箱梁U肋设计的一些问题

设计一座20+46+66+20的悬索桥，桥面宽度6m，加劲梁采用钢箱梁，关于U肋的设计有一些疑问：

• U肋的设计：海沧大桥采用的是高280，顶宽300，底宽169，安庆长江大桥和他一样。东营黄河桥采用的是高265，顶宽300，底宽192，请问U肋的大小有没有受成品钢的限制，还是自己可以设计，到工厂自己加工？
• 偏球扁钢高度的确定:偏球扁钢加劲肋的高度有没有定型产品，在那能找到资料？
• 人洞大小的设计：考虑到工地焊接需要，在横隔板设计人洞，最小的人洞，能到多少，（由于钢箱才1.2米左右，布置人洞不可能太大）
  

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1、关于采用U肋作钢桥面铺面板的钢箱梁。
由于桥面板是直接承受车辆荷载的构件，根据美国规范计算顶板最小厚度，为12mm，采用U形加劲肋进行加劲。U肋与顶板的焊缝是在极其复杂的交变应力条件下工作，单个车轮着地最小宽度约为300mm（见桥涵设计通用规范重载汽车），因此为减小顶板在横桥向的变形，考虑设计，U肋一般设计为上口宽300mm，间距为600mm。为保证U肋与顶板间的焊缝熔透率不小于80%，同时焊接时顶板不发生较大的瘦马变形，U肋一般取为6mm厚，要求U形加劲肋同顶板采用单面坡口焊接。U形加劲肋采用热轧钢带冷辊轧的方式加工成形，U形加劲肋同横隔板的焊接采用手工贴角焊缝。根据日本的经验，为保证柔性路面的耐久性，其构成的横桥向刚度在重车轮重作用下的变形不得大于0.40mm。根据计算，U肋高度取为280mm，底宽取为170mm。
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2、关于楼主所设计的钢箱梁。
楼主设计的桥梁宽度较小，主要是行小车，为节省造价，楼主不应考虑桥面板采用U形加劲肋，采用倒T形加劲肋即可，板厚10mm，T宽80mm，高度160mm，肋间距300mm，上述尺寸仅供参考，具体尺寸可能过桥面板计算确定。
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7 I" ?  `: U5 r2 T7 h. L0 B3、关于钢箱梁有效宽度。
这么窄的桥，我认为可按全宽算
根据计算江阴长江大桥、南京长江二桥和湖北军山长江大桥钢箱梁的一些经验和教训，个人认为需要考虑以下几个方面的问题：
! @! j  L# h4 D$ N! ?8 s! J6 U  [1）钢箱梁的第二和第三体系应力的计算工作
3 t4 f7 b& k5 A# x7 ^3 w: y) }如果取一段钢箱梁模型采用有限元理论计算，必然钢箱梁的第一系体应力、第二体系和第三体系的应力无法分开。但设计规范都是只采用第一和第二体系应力的组合，因此必须计算第二体系的应力才能按照国外的规范（英国桥梁设计表准BS5400、日本本四联络线上部结构设计标准等规范）进行组合并检算。计算钢箱梁第二体系应力的程序OSAP可以分别按照Peklian－Esslinger法和等效格子梁计算钢箱梁的第二体系和第三体系的应力。
; Q% O0 x) N. ~# G2）钢箱梁横隔板和腹板的应力、稳定分析和优化
8 ]- u- T: `/ A- s2 \钢箱梁的横隔板和腹板是加劲板，其应力、稳定分析能够为设计提供有力的依据。首先应该分析横隔板(尤其是吊点横隔板和支座位置处和主梁吊机前支点的横隔板)和腹板的应力场，再根据加劲板理论计算多向应力状态下横隔板和腹板的稳定性(按照BS5400、日本规范和德国规范)。例如下图所示的多向应力状态下的加劲板的稳定性和屈曲安全度。我开发的SBBA程序可以按照多种规范进行加劲板的稳定性和屈曲安全度的计算。
根据应力和稳定性分析的结果优化加劲肋的尺寸、加劲肋的位置，人洞和电缆洞在横隔板上的位置等设计细节。
" S& i1 ~2 J3 h+ v- b" ?3）钢箱梁疲劳等级的验算和设计细节的优化
$ N5 M& b9 Z- Q# }  P* [$ K1 T+ j正交异性板结构的构造细节很难在国外和国内的规范中找到它对应的疲劳等级，西南交通大学曾参考英国运输部运输与道路研究所(TRLL)关于正交异性板疲劳等级的报告进行过国内多座钢箱梁的疲劳计算。参考计算结果和日本、丹麦处理钢箱梁的经验，对设计细节进行优化。
4）钢箱梁有效宽度的计算
流线型扁平钢箱梁的高宽比比较小，其结构行为接近于板的结构行为。尤其是大跨度斜拉桥的钢箱梁，轴力和弯矩都会引起剪力滞后效应，导致上下翼缘的有效宽度减小。大跨度斜拉桥的钢箱梁有的设置了纵隔板，其剪力滞后效应的计算更为复杂，可以采用计算影响线区间加载的方法计算过多座斜拉桥钢箱梁的剪力滞后问题，并开发了相应的程序。
& i' r1 Y8 E2 \- q& U5）采用薄壁杆件理论验算钢箱梁
闭口的流线型扁平钢箱梁是超静定结构，其结构行为接近于板的结构行为。其弯曲剪力流和扭转剪力流的计算都比较复杂。准备采用薄壁杆件理论计算斜拉桥钢箱梁的弯曲剪力流、扭转剪力流、翘曲和畸变应力，然后才能采用BS5400对钢箱梁的强度进行验算。
6）施工阶段钢箱梁的横向变形问题
7 K5 H  H( g! E. G; o大跨度悬索桥采用的大览吊机，而大跨度斜拉桥的多数采用是主梁吊机，在施工阶段，由于吊机作用在刚架设好的钢箱梁的横隔板上，其横隔板的变形在桥梁的横向类似于简支在斜拉索上的简支梁。而刚准备架设的钢箱梁在横向的变形相当于一个带悬臂的简支梁，虽然纵向变形可以通过斜拉索的索力调节，但是横向变形却不易调整，只能靠马板夹平。通过建立空间有限元模型计算起吊梁段和吊机作用梁段的横向变形差。以便为施工阶段提供有力的计算资料，并作好施工措施的准备。
; x" j! G$ A/ }) s) k7）钢箱梁锚固区的静力计算、试验，疲劳试验和疲劳等级的评估
8）钢箱梁是采用全焊还是栓焊？等问题
$ w9 M) g/ J7 Z" j, L, Y/ h1 [2 C这些问题在设计中经常遇到，如果在设计阶段就重视这些问题可以提高设计的质量，节约工程造价。同时提高我国的桥梁设计水平。
' X. n! q) G5 y以上是我一些不太成熟的看法，希望得到同行的指正，同时也希望和大家一起讨论或参与钢箱梁的设计工作。
, y* [3 n/ s- l' ~5 g( Y( H' v谢谢大家！

请问横隔板与顶板(上翼缘板)是角焊缝还是熔透T形连接?主要是担心走车作用.

这问题我想过很长时间,一时也没找到答案.

楼上的兄弟你好：

你所说的问题，我也没有仔细翻阅过资料，我私下认为因为横隔板和钢箱梁的顶板形成一个横向受弯的工字梁。因为走车最好采用熔透的T形接头？不知你如何看待这个问题。大家相互学习阿！

我的观点与你一样.象桥面板中的U形闭口肋是与顶板半熔透焊接(因为里面封闭无法操作故只能单面焊,某些桥加适当的内衬),考虑的也是走车作用.

如果横隔板和钢箱梁的顶板是双面角焊缝的话,承载力和疲劳较难考虑.也许这样也行.主要看工程实践证明了.

如果采用熔透T形连接的话,工作量不会增加多少(焊缝等级可同双面角焊缝),焊接变形在现有条件下应该不成问题.

工业上的重型吊车梁均为熔透T形连接.

另一个问题:横隔板与底板焊接,对底板的抗疲劳又如何考虑,斜拉桥应该好控制,因为有水平压力;而吊桥应力幅会很大,记得有70~80MPa,看美国的规范应该不满足,不知这个问题怎么回事?

       从表面上看现在的有限元程序比较多，大家好像都可以用来计算钢箱梁。但是由于钢箱梁的构造和结构行为都比较复杂，采用板壳理论计算钢箱梁有些难以克服的弊端，下面举两个例子：

1)不能将钢箱梁的第一体系应力、第二体系应力和第三体系的应力分开，而规范组合是采用第一体系（通常采用平面杆系程序计算的总体结果）和第二体系应力的组合。

2)钢箱梁的构造复杂，即使采用ANSYS、MARC、ABQUS等非线性功能比较强的有限元程序，花费大量的计算，得到的结果也不理想。一般还是采用线性计算，即使采用非线性计算也不能考虑残余应力、制造缺陷等因素，得到的极限承载力偏高，用于设计偏于不安全。而且不能考虑每一根加劲肋。而规范是通过大量的试验和计算得到的考虑多种因素，而且对加劲肋的刚度也进行了限制，以便能为板块提供足够的支承作用。因此采用有限元程序很难计算出纵肋和横肋之间的每个板块的屈曲安全度。

实际上我国目前的斜拉桥的钢箱梁的梁高比较小大多小于3.5米，而且设计计算时基本没有考虑腹板和横隔板屈曲后形成的拉力带的作用，在钢箱梁的极限承载力计算方面还有许多工作要作阿！

工程实践是不断在发展的，以后不止是大跨度的悬索桥和斜拉桥才使用钢箱梁，也许大跨度的刚构、拱桥等也要使用钢箱梁，计算上海卢浦桥时的拱圈和钢箱梁时体会更感觉到这一点。

我现在在学习研究英国帝国理工大学、日本对钢箱梁和钢管作的一些试验工作和加劲板的屈曲计算方法。希望能对钢箱梁的结构行为有更深的理解。

第三体系的应力好象并不可怕，见小西一郎《钢桥》；

至于细部模拟，随着计算机的容量和性能提高，只是工夫问题。换个角度，拿这些大型程序来模拟等效格子梁的计算总没问题吧。当然，需要设计者的理解深度。我更赞同老兄对规范的认识，分析只是手段而已。不过影响区加载到是比手工方便。

老兄若有什么资料，不纺公开让大家学习嘛。日本等的确从试验到规范要先进的多。

关于屈曲安全度，到是BS规定的细致。

极限承载力的概念要引入设计还得走很长时间，我个人认为，况且不同国家加工制造水平不同，残余应力难以评估。

其实小西一朗在钢桥一书中对第三体系应力的介绍和计算方法比较粗略，第三体系的应力主要是横向应力，具体可以参考1963AISC出版的正交异性板设计手册中对正交异性板的结构行为和计算方法的介绍，也许理解的程度要更深刻一些。

你所说的采用大型有限元程序和格子梁理论计算第二体系应力，一个非常主要的问题是如何确定非横隔板位置除横梁的抗弯刚度和抗扭刚度的问题，以前我自己曾参考别的文献采用等效格子梁计算第二体系的应力，但是等效格子梁中分配荷载的横梁的横向抗弯和抗扭刚度的计算比较复杂，要经过专门的推导和处理阿。

在极限承载力方面我们国家的研究比较少，铁道部在80年代初进行过一些试验研究，并制定了一些钢板梁的设计规范，交通部在钢桥上面的研究至今没有看到基础的试验。

国外以英国的帝国理工大学在80年代进行了大量的试验和研究工作，具体可以参考英国土木工程师杂志PART2中的部分文章和一些80年代中期出版的专著，具体的书名,书的作者我已经记不清楚了。例如:

<backgroundtobuckling>

<stiffedplatebendingbucklingandvibration>

<introductiontothinwallstructure>

<paltestructure>

日本小西一朗<钢桥>一书优点太老了，但比较经典，因为这本书大概在70年代末写成，我国铁道部则在80年代初翻译为中文。当时日本主要采用的桁架，后来的大岛大桥和白鸟桥才采用钢箱梁。90年代日本曾出版过一本钢桥的专著还比较好可以看一下：

中井博《钢桥设计基础》1992

谢谢老兄的提示，当然截面参数是需要一定的处理的，不能简单盲目地套用。TROITSKY的《STIFFENEDPLATES》也有部分介绍，尤其是AISC63年的规范。不过尽管我赞同工程上的这些近似解析法，但回过头来，觉得是否说明我们这么做仅仅为了迎合规范，或者说受到规范的制约了呢？如果我们能把结构从施工到钢材性质到工作状态的因素合理考虑，我想做设计大可不必仅依赖于规范了。我看国外一些著名设计咨询的资料，其实他们对钢箱梁的分析比我们的都要简单，STONECUTTERS就是一例。

老兄提到的书籍，不知可有中译本，或者哪里有日文的？

土木工程本来就没有什么秘密可言。国外公司一些对钢箱梁的计算资料实际上比较齐全的，有位在日本长大公司工作过的朋友说许多计算书一般是不可能拿到的。那基本书我也没有见到过中文版，有兴趣可以去北图查查。

98年在参加一台湾钢桥的设计时，用Algor计算了一个钢桥节点。得到了冯氏，特氏及最大，最小主应力。当然解决了我们的设计问题。但有一点我至今不明白：如何判断这些应力？通俗点讲就是换算到比如容许应力等。

楼上的"如何判断这些应力",我想要依靠材料力学的"强度理论",或<钢结构>书中"钢材在复杂应力作用下的计算"章节.我一直就是这么考虑的,混凝土结构也是这样,比如0号块,平常Algor分析出来就是看看主拉主压,别开裂,别压碎.个人认识,请大家多指点.

计算出来的等效应力比如mises应力tresca应力和最大主拉应力、最大主压应力等可以参照材料力学中的强度理论部分或者塑性力学部分。

对于钢桥的构件比如说节点板等在复杂应力状态下的强度各国的规范允许的应力组合不太相同，一般是采用正应力和剪应力的组合来判断，可以在程序中查找各点的应力张量，然后按照各国的规范进行组合。

对于混凝土结构因为包括预应力、徐变等因素其结构行为比较复杂，计算出来的应力一般是定性的，而不是定量的，但可以看到局部的应力场分布规律。以便采取相应的构造措施。

以上观点是我自己的一点认识，请各位多多指点。

谢谢大家！

我有个问题，现在许多大跨度索桥都采用钢箱梁，

那如果我用ansys来建摸，建摸时不简化，即直接建实体模型，然后加载，那计算时程序对剪力治如何处理？

又如何防止计算中的不收敛？

楼上的兄弟对于钢箱梁你如果要采用实体单元来模拟，估计工作量和计算量是非常庞大的，目前我尚没有看到对钢箱梁采用实体单元模拟的计算。

如果采用实体单元建模，则计算时剪力滞效应会自动考虑。不妥之处希望大家指点。

明石海峡大桥是钢桁,设计时是按等代梁和空间杆系两种方法来分析;日本钢箱梁设计会采用SHELL单元来详细分析.可见,在过去只能用等代梁,而现在由于科技发展,整体分析已成为可能.计算量在如今的年代,问题不大.

如果空间分析,则剪力滞效应已自动记入.计算中的不收敛,要建模时充分考虑.

正因为明石海峡大桥是钢桁,设计时是按空间杆系来分析是可行的。钢箱梁设计会采用SHELL单元来详细分析局部或整体的静力效应也是可行的。但若进行活载效应，对桁架而言，只需要轴力即可，可行。而对其他单元，就需要巨大的空间储存海量的输出，例如空间梁单元，强轴弯矩max，以及同时的弱轴弯矩，轴力，算一算多少组合，真是难以想象！

我断断续续做过几年的钢结构设计，客观上的原因，做过钢结构加工的监理，和工厂有不少的接触机会。对于设计细节谈一些粗浅的看法和各位交流。我个人认为横隔板与顶板(上翼缘板)之间属于构造连接，似乎和吊车梁不同，用角焊缝应该可以了。由于焊接技术和工艺日益成熟，全焊钢箱梁结构应该是一种趋势，不过一定要找有经验的大厂加工才可靠些。