工字钢弯桥的翘曲应力分析

工字钢弯桥的翘曲应力分析

褚凤军

褚凤军

天津市市政工程设计研究院，天津市滨海高新技术产业开发区海泰南道30号300392

摘要：本文以某景区工字钢弯桥为研究对象，分析发现翘曲作用对小半径工字钢弯桥的设计的影响是不能忽视的。翘曲作用可以明显提高工字钢弯桥的刚度，并增大钢梁截面的的应力。相比工字型横隔板，箱形横隔板更适用于曲线工字钢梁桥。

关键词：工字钢弯桥;翘曲;刚度;应力

在曲线钢桥设计过程中，钢梁内将产生弯矩、剪力、纯扭矩等内力，也会产生由截面翘曲引起的翘曲扭矩。如果忽略翘曲作用的影响，采用初等梁理论对主梁进行计算，主梁刚度偏小，得出的主梁应力也偏小，桥梁的设计偏不安全，所以对小半径弯桥计算中考虑翘曲作用的影响是非常必要的。

本文以某景区工字钢弯桥为研究对象，分析小半径工字钢弯桥翘曲作用的影响规律，为小半径工字钢弯桥的设计提供一些设计依据。

1理论概念

由支承条件或外力作用使构件扭转时，构件产生弯曲变形，平截面发生翘曲，即不再保持为平面，这些平面外变形将产生附加的法向应力和剪应力，分别为翘曲正应力和翘曲剪应力[1]。为了研究翘曲作用的影响，Nakai和Yoo[2]提出使用K值来表征翘曲对于应力的影响，K值计算如式（1）所示。

（1）

其中，L为跨长，G为剪切模量；K为扭转常数；E为弹性模量；为翘曲常数。K值越大，翘曲作用对刚度的贡献越小，因翘曲产生的应力越小。

2模型建立

本文以某景区栈道桥为研究对象，该桥全线7.8km，结构形式多为双工字钢弯桥，两工字钢梁间设置横隔板来增强横向连接，从而提高桥梁的整体性能，工字钢梁两侧设置悬挑结构，桥宽共2.4m。断面如图2-1所示。

图2-1双工字钢弯桥横断面

本文以该栈道桥为研究对象，建立MIDAS模型研究小半径工字钢弯桥翘曲作用的影响规律。

3工字钢弯桥翘曲作用影响规律研究

本文分别使用MIDAS的翘曲截面和非翘曲截面建立模型，通过改变桥梁模型的曲线半径以及横隔板截面的类型，研究翘曲作用对钢梁挠度和应力的影响规律。

3.1翘曲作用对不同半径弯桥的影响规律

计算模型为3x16m三跨连续梁桥，采用双工字钢截面。根据《公路桥涵设计通用规范》[3]中基本组合，最不利荷载工况组合采用1.2（恒载）+1.4人群活载+1.05温度荷载（升降温包络）+0.825风荷载。

本文模拟了半径为15m、20m、30m、50m、100m的3x16m曲线工字钢梁桥，以桥梁跨径L与曲线半径R的比作为横坐标，以考虑翘曲之后桥梁挠度减小的百分比为纵坐标，绘制曲线如图3-1所示。

图3-1主梁主应力增大百分比随L/R值变化曲线

图3-2是考虑翘曲之后工字钢主梁主应力的增大百分比，可以看出随着L/R值增大，考虑翘曲之后主梁的主应力增大比例越来越大，并且增大的速度越来越大。但是总体来说，在工程应用范围内，翘曲对工字钢主梁的主应力的影响比较小，可以看出，主梁主应力增大百分比不超过10%。但是翘曲对横隔板主应力的影响是非常显著的，根据模型数据发现，当不考虑翘曲时，横隔板的主应力非常小，考虑翘曲后，横隔板的主应力通常是不考虑翘曲时的10倍以上。

3.2翘曲作用对不同横隔板弯桥的影响规律

横隔板的翘曲在整个曲线工字钢梁桥受力中起到重要作用，本文将箱形闭口截面横隔板换成开口工字形横隔板，来研究横隔板截面形式对翘曲的影响。

当使用工字形横隔板时，翘曲对活载挠度的影响非常大，从50mm到18mm，挠度减小了64%，从而说明了翘曲对工字形横隔板弯桥刚度的影响很大。主梁和横隔板的翘曲应力，发现分别增大了48.4%和36.0%，而活载挠度增大了18.3%。可以得出结论，工字形横隔板相对于箱形横隔板，会增大整个桥梁截面的应力，并且会降低桥梁的刚度。

4结论

本文以某景区工字钢弯桥设计为研究对象，通过对多个工字钢弯桥计算分析，得出以下结论：

（1）翘曲作用可以提高工字钢弯桥的刚度，L/R值越大，桥梁刚度提高值的越大；翘曲作用增大了横隔板的主应力，考虑翘曲之后，横隔板的主应力增大10倍以上。

（2）相比于工字形横隔板，箱形横隔板能更有效的提高桥梁的刚度，并且产生的翘曲应力相对较小。

参考文献：

[1]徐芝纶等.弹性力学[M].高等教育出版社,2006:238-252.

[2]HiroshiNakai,ChaiHongYoo.AnalysisanddesignofCurvedSteelBridges[J].McGraw-HillBook,1988

[3]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范JTGD60-2015[S].人民交通出版社,2015:19.