[讨论]：钢箱梁和计算和设计细节讨论

caif1977

根据我以前计算江阴长江大桥、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，我自己私下认为需要考虑以下几个方面的问题：
     一 钢箱梁的第二和第三体系应力的计算工作
     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。我开发了专门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。
    二 钢箱梁横隔板和腹板的应力、稳定分析和优化
    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。
    三 钢箱梁疲劳等级的验算和设计细节的优化
     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。
    四 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。
    五 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。
    六 施工阶段钢箱梁的横向变形问题
    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。
    七 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
    八 钢箱梁是采用全焊还是栓焊？等问题
    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。
    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。
   谢谢大家！
  
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！