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摘要：公路预制小箱梁桥是常见桥型之一，这种结构具有施工速度快、外观简洁、结构使用性能好的特点。但这种多片预制箱梁组成的桥跨结构因不利于承受较大横向荷载而在使用中受到限制。本文通过工程实例对公路预制箱梁的横向整体性—箱间横隔板的设计和应用做以探讨，使该类结构具有更广泛的适用范围。
关键词：城市道路；预制小箱梁；横隔板；优化设计
Abstract: This paper discussed the design and application of the lateral integrity in the Projects on the road precast box girder diaphragm - Box to explore, so this kind of structure has a broader scope of application.Key words: urban road; prefabricated small box girder; diaphragm; optimization design
中图分类号：U445.7文献标识码：A 文章编号：
1 概述
公路预制小箱梁桥是常见桥型之一，这种结构具有施工速度快、外观简洁、结构使用性能好的特点。但是由于小箱梁分片预制吊装，多片箱梁组成桥跨结构，其横向整体性一直备受关注，在诸如较大横向荷载作用、曲线处等受力复杂情况的使用中受到限制。
随着公路预制箱梁应用的更加广泛其使用的条件越来越复杂，在城市桥梁施工中全封闭隔音屏与公路预制小箱梁的组合应用有时会成为工程建设的唯一选择，全封闭式隔音屏会把较大的横向荷载传递给桥跨结构，尤其地处台风区时，全封闭隔音屏的荷载使预制箱梁的桥跨结构受力更加复杂，所以有必要对公路预制小箱梁结构横向整体性的设计做以认真的研究和探讨。工程实践证明增设箱间横隔板能够有效增加截面刚度、限制箱梁畸变应力，对增加公路预制小箱梁结构横向整体性、改善结构的受力状态有重要作用。事实证明横隔板的受力比较复杂，设计计算中应模拟实际受力状态对横隔板以及附近局部梁段做仔细的空间有限元分析，在正确认识基础上才能正确使用。
2 工程概况
深圳市城市快速路桥梁，因周围环境的限制必须采用在预制小箱梁桥跨上设置全封闭隔音屏的方案，如图2.1所示。箱梁全截面由6片单箱梁通过横隔板连接成整体，桥面宽度为19.1m。箱梁高度不变为1.8m。支点处横梁厚0.6m，横隔板厚0.4m，箱梁采用C55砼，预应力筋采用低松弛预应力钢绞线。
因地处台风区加之隔音屏结构的设计决定了箱梁桥跨结构承受较大的横向作用，为了结构安全设计者突破常规采用了增强的横隔板设计，即隔板伸入箱梁内侧形成内横隔板如图2.2所示。内隔板使箱梁内形成诸多小箱室，使内模整体装卸成为不可能，给预制施工造成了巨大困难。所以内横隔梁设计的必要性成为本次设计优化工作重点。为了在确保结构安全的前提下，让设计更符合实际和具有可实施性，对箱梁桥跨结构的整体性和横隔梁的作用展开研究，以优化横隔板的设计。
图2.1 桥梁及隔音屏有限元模型图
图2.2 箱梁内横隔板示意图
3 优化工作的思路
对结构进行有限元分析，在充分认识结构各工况受力状态的基础上评估箱梁内横隔板设计利与弊和箱梁优化的可行性。分析首先采用土木专业非线性详细分析系统MIDAS FEA计算结构在取消内横隔板时各种工况下的应力、变形等情况是否能够满足设计规范要求，分析箱梁内横隔板设置的必要性。
4 有限元分析
4.1 MIDAS FEA建模分析
4.1.1 模型的建立
为详细表现结构局部应力状态，模型以实体单元结合板式壳单元为主，板壳单元与实体单元节点耦合以刚接形式。其中小箱梁及桥面、护栏部分为实体单元，隔音屏及立柱全部采用板壳单元模拟。其中预应力钢束及箱梁主筋以线单元模拟，程序自动耦合实体单元节点，箱梁隔板等非预应力结构不考虑钢筋作用按素混凝土建模。
4.1.2 边界条件及加载
边界条件为一端固结一端双向铰接（顺桥向平动解开）。施加荷载根据规范要求分别为：自重（体力）、水平风荷载（面压力）、屋面检修荷载（面压力）、预应力荷载、车辆荷载（面压力）。
4.1.3 荷载
4.1.3.1 取值
荷载取值分为隔音屏和桥梁主体结构两部分，隔音屏取值按照《建筑结构荷载规范》GB 50009--2001 和《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001；桥梁主体结构荷载按照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004和《城市桥梁设计荷载标准》CJJ77-98进行取值。车辆荷载为公路一级。
4.1.3.2 组合
按荷载规范[1] 进行组合荷载组合见表4-1
4.1.4分析结果
4.1.4.1 承载力极限状态
结構在承载力极限状态下预应力箱梁纵桥向全断面受压，压应力≥0.23Mpa如图4.1所示，图4.1中应力最大点位于隔音屏立柱柱脚预埋件范围内，模型中对预埋件做了简化处理，所以该处应力计算结果失真可以不考虑其应力过大问题。从图4.1中可以看出在隔音屏作用下，结构纵桥向应力所受影响不大,分布也比较均匀的，应力符合规范[2]的要求并有一定安全储备。隔音屏对结构的不利作用和影响主要体现在横桥向，如图4.2，在承载力极限状态下在靠近外侧边梁的横隔板处箱梁和横隔板底部有拉应力出现，应力范围0.64~0.84Mpa,小于横隔板的抗拉强度标准值2.74Mpa。
图4.1 承载能力极限状态下结构纵桥向应力云图
4.1.4.2 正常使用极限状态
对于正常使用极限状态荷载短期效应组合情况下，结构应力如图4.3所示，最大拉应力为0.23Mpa。按根据规范[2]要求小于式1所计算的A类构件拉应力限值。
⑴
式中，σst：短期效应组合下截面边缘混凝土的正应力；
σpc ：有效预加力作用下截面边缘混凝土的正应力。
图4.2 承载能力极限状态跨中截面轴向应力云图
图4.3 正常使用极限状态跨中截面轴向应力云图
4.1.3 midas 分析结论
通过以上运用MIDAS FEA软件分析结果可知 公路预制箱梁结构不设置箱梁内横隔板时在隔音屏的作用下纵桥向的应力状态并未受到大的影响，在横桥向上出现了应分较集中的情况，应力集中出现在隔音屏立柱侧的外边梁和外侧箱梁间横隔板处，原因是数学模型相对实际有所简化，锐角未经处理。而其它的箱梁及横隔板处于应力较低的状态且应力分布均匀。所以结构可以取消箱梁内侧横隔板。
通过分析结果可知：
⑴ 箱内隔板的存在对结构的总体受力特点影响不大。
⑵ 箱内隔板的存在对于改善箱内顶板的受力，其效果并不明显，但却增大了箱间隔板的横向弯矩。建议取消箱内隔板。
⑶ 横隔板的角点区域在设计荷载作用下存在应力集中。建议在隔板与箱梁顶板、腹板及底板连接的部位增加倒角。
5 结论
公路预制小箱梁组成的桥跨结构在受到较大的横向荷载时受力是比较复杂的，尤其在某些荷载集中部位要认真分析，在此基础上设计必要的加强措施提高横向整体性。箱间合理设置横隔板的方法就是一种行之有效的办法，加强后结构也可以承受较大的横向荷载，从而大大提高了其使用性能，但同时不能对箱间横隔板做过度使用以致滥用，诸如本文中提到的设置箱内横隔板，通过以上分析知道箱内横隔板的设计是不必要的同时也造成了浪费和巨大的施工困难。
参考文献：
⑴ 《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004
⑵ 《公路钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构桥涵设计规范》JTG D62-2004
⑶《城市桥梁设计荷载标准》CJJ77-98
⑷《建筑结构荷载规范》GB 50009--2001
⑸《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001
⑹ 于金琪 横隔板设计置对小箱梁的作用，四川建筑2009.02
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：城市道路；预制小箱梁；横隔板；优化设计
Abstract: This paper discussed the design and application of the lateral integrity in the Projects on the road precast box girder diaphragm - Box to explore, so this kind of structure has a broader scope of application.Key words: urban road; prefabricated small box girder; diaphragm; optimization design
中图分类号：U445.7文献标识码：A 文章编号：
1 概述
公路预制小箱梁桥是常见桥型之一，这种结构具有施工速度快、外观简洁、结构使用性能好的特点。但是由于小箱梁分片预制吊装，多片箱梁组成桥跨结构，其横向整体性一直备受关注，在诸如较大横向荷载作用、曲线处等受力复杂情况的使用中受到限制。
随着公路预制箱梁应用的更加广泛其使用的条件越来越复杂，在城市桥梁施工中全封闭隔音屏与公路预制小箱梁的组合应用有时会成为工程建设的唯一选择，全封闭式隔音屏会把较大的横向荷载传递给桥跨结构，尤其地处台风区时，全封闭隔音屏的荷载使预制箱梁的桥跨结构受力更加复杂，所以有必要对公路预制小箱梁结构横向整体性的设计做以认真的研究和探讨。工程实践证明增设箱间横隔板能够有效增加截面刚度、限制箱梁畸变应力，对增加公路预制小箱梁结构横向整体性、改善结构的受力状态有重要作用。事实证明横隔板的受力比较复杂，设计计算中应模拟实际受力状态对横隔板以及附近局部梁段做仔细的空间有限元分析，在正确认识基础上才能正确使用。
2 工程概况
深圳市城市快速路桥梁，因周围环境的限制必须采用在预制小箱梁桥跨上设置全封闭隔音屏的方案，如图2.1所示。箱梁全截面由6片单箱梁通过横隔板连接成整体，桥面宽度为19.1m。箱梁高度不变为1.8m。支点处横梁厚0.6m，横隔板厚0.4m，箱梁采用C55砼，预应力筋采用低松弛预应力钢绞线。
因地处台风区加之隔音屏结构的设计决定了箱梁桥跨结构承受较大的横向作用，为了结构安全设计者突破常规采用了增强的横隔板设计，即隔板伸入箱梁内侧形成内横隔板如图2.2所示。内隔板使箱梁内形成诸多小箱室，使内模整体装卸成为不可能，给预制施工造成了巨大困难。所以内横隔梁设计的必要性成为本次设计优化工作重点。为了在确保结构安全的前提下，让设计更符合实际和具有可实施性，对箱梁桥跨结构的整体性和横隔梁的作用展开研究，以优化横隔板的设计。
图2.1 桥梁及隔音屏有限元模型图
图2.2 箱梁内横隔板示意图
3 优化工作的思路
对结构进行有限元分析，在充分认识结构各工况受力状态的基础上评估箱梁内横隔板设计利与弊和箱梁优化的可行性。分析首先采用土木专业非线性详细分析系统MIDAS FEA计算结构在取消内横隔板时各种工况下的应力、变形等情况是否能够满足设计规范要求，分析箱梁内横隔板设置的必要性。
4 有限元分析
4.1 MIDAS FEA建模分析
4.1.1 模型的建立
为详细表现结构局部应力状态，模型以实体单元结合板式壳单元为主，板壳单元与实体单元节点耦合以刚接形式。其中小箱梁及桥面、护栏部分为实体单元，隔音屏及立柱全部采用板壳单元模拟。其中预应力钢束及箱梁主筋以线单元模拟，程序自动耦合实体单元节点，箱梁隔板等非预应力结构不考虑钢筋作用按素混凝土建模。
4.1.2 边界条件及加载
边界条件为一端固结一端双向铰接（顺桥向平动解开）。施加荷载根据规范要求分别为：自重（体力）、水平风荷载（面压力）、屋面检修荷载（面压力）、预应力荷载、车辆荷载（面压力）。
4.1.3 荷载
4.1.3.1 取值
荷载取值分为隔音屏和桥梁主体结构两部分，隔音屏取值按照《建筑结构荷载规范》GB 50009--2001 和《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001；桥梁主体结构荷载按照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004和《城市桥梁设计荷载标准》CJJ77-98进行取值。车辆荷载为公路一级。
4.1.3.2 组合
按荷载规范[1] 进行组合荷载组合见表4-1
4.1.4分析结果
4.1.4.1 承载力极限状态
结構在承载力极限状态下预应力箱梁纵桥向全断面受压，压应力≥0.23Mpa如图4.1所示，图4.1中应力最大点位于隔音屏立柱柱脚预埋件范围内，模型中对预埋件做了简化处理，所以该处应力计算结果失真可以不考虑其应力过大问题。从图4.1中可以看出在隔音屏作用下，结构纵桥向应力所受影响不大,分布也比较均匀的，应力符合规范[2]的要求并有一定安全储备。隔音屏对结构的不利作用和影响主要体现在横桥向，如图4.2，在承载力极限状态下在靠近外侧边梁的横隔板处箱梁和横隔板底部有拉应力出现，应力范围0.64~0.84Mpa,小于横隔板的抗拉强度标准值2.74Mpa。
图4.1 承载能力极限状态下结构纵桥向应力云图
4.1.4.2 正常使用极限状态
对于正常使用极限状态荷载短期效应组合情况下，结构应力如图4.3所示，最大拉应力为0.23Mpa。按根据规范[2]要求小于式1所计算的A类构件拉应力限值。
⑴
式中，σst：短期效应组合下截面边缘混凝土的正应力；
σpc ：有效预加力作用下截面边缘混凝土的正应力。
图4.2 承载能力极限状态跨中截面轴向应力云图
图4.3 正常使用极限状态跨中截面轴向应力云图
4.1.3 midas 分析结论
通过以上运用MIDAS FEA软件分析结果可知 公路预制箱梁结构不设置箱梁内横隔板时在隔音屏的作用下纵桥向的应力状态并未受到大的影响，在横桥向上出现了应分较集中的情况，应力集中出现在隔音屏立柱侧的外边梁和外侧箱梁间横隔板处，原因是数学模型相对实际有所简化，锐角未经处理。而其它的箱梁及横隔板处于应力较低的状态且应力分布均匀。所以结构可以取消箱梁内侧横隔板。
通过分析结果可知：
⑴ 箱内隔板的存在对结构的总体受力特点影响不大。
⑵ 箱内隔板的存在对于改善箱内顶板的受力，其效果并不明显，但却增大了箱间隔板的横向弯矩。建议取消箱内隔板。
⑶ 横隔板的角点区域在设计荷载作用下存在应力集中。建议在隔板与箱梁顶板、腹板及底板连接的部位增加倒角。
5 结论
公路预制小箱梁组成的桥跨结构在受到较大的横向荷载时受力是比较复杂的，尤其在某些荷载集中部位要认真分析，在此基础上设计必要的加强措施提高横向整体性。箱间合理设置横隔板的方法就是一种行之有效的办法，加强后结构也可以承受较大的横向荷载，从而大大提高了其使用性能，但同时不能对箱间横隔板做过度使用以致滥用，诸如本文中提到的设置箱内横隔板，通过以上分析知道箱内横隔板的设计是不必要的同时也造成了浪费和巨大的施工困难。
参考文献：
⑴ 《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004
⑵ 《公路钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构桥涵设计规范》JTG D62-2004
⑶《城市桥梁设计荷载标准》CJJ77-98
⑷《建筑结构荷载规范》GB 50009--2001
⑸《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001
⑹ 于金琪 横隔板设计置对小箱梁的作用，四川建筑2009.02
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。