箱梁的结构与受力特点

（二）箱形截面的配筋

箱形截面的预应力混凝土结构一般配有预应力钢筋和非预应力向普通钢筋。

1、纵向预应力钢筋：结构的主要受力钢筋，根据正负弯矩的需要一般布置在顶板和底板内。这些预应力钢束部分上弯或下弯而锚于助板，以产生预剪力。近年来，由于大吨位预应力束的采用，使在大跨径桥梁设计中，无需单纯为了布置众多的预应力束而增大顶板或底板面积，使结构设计简洁，而又便于施工。

2、横向预应力钢筋：当箱梁肋板间距

图2-3 箱形截面配筋示意图 纵向预应力筋竖向预应力筋两层钢筋网 两层钢筋网 横向预应力筋 较大，或箱的悬臂板长度较长时，采用普通钢筋混凝土的板面板，钢筋用量过多，或需要较厚的桥面板。这时可考虑设置横向预应力钢筋，横向预应力钢筋一般为直线形，布置在顶板的上、下两层钢筋网间，锚固于悬臂板端。

3、竖向预应力钢筋：当肋板中的剪应力或主位应力较大，配置普通钢筋不能满足要求时，可布置竖向预应力钢筋，避免采取加厚肋板增大自重带来的不利影响。竖向预应力筋一般下端埋入胁板混凝土，上端锚于顶板项面。 配有纵向、横向、竖向预应力钢筋的结构称为三向预应力结构。近年来，大跨径箱形截面桥梁都采用三向预应力。

4、普通钢筋：箱形截面属薄壁结构，因而在顶板、肋板和底板中，根据受力需要，或为防止和限制由于温度变化及混凝土收缩而引起的混凝土裂缝等构造要求，一般都配置两层钢筋网。必须指出，这些普通钢筋的用量占全桥钢筋用量相当大的比例。根据已建成的同类桥梁同类桥梁的统计，这种普通钢筋每平方米桥面用量相差很大，一般在40—150kg之间，因此必须精心设计，做到既安全又经济。

第二节 箱形梁的受力特点

作用在箱形梁上的主要荷载是恒载与活载。恒载一般是对称作用的，活载可以是对称作用，但更多的情况是偏心作用的，因此，作用于箱形梁的外力可综合表达为偏心荷载来进行结构分析；

在偏心荷载作用下，箱形梁将产生纵向弯曲、扭转、畸变及横向挠曲四种基本变形状态。详见图2-4。

1、纵向弯曲

产生竖向变位w，在横截面上起纵向正应力σM

及剪应力τM。对于肋距不大的箱形梁，σM按初等梁理论计算，当肋距较大时，会出现所谓“剪力滞效应”。即翼板中的σM分布不均匀，近肋翼板处产生应力高

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w 纵向弯曲 θ

刚性扭转

γ=α+β

畸变

横向挠曲

图2-4 箱形梁在偏心荷载 作用下的变形状态

《桥梁设计理论》 蔡金标 第二讲 薄壁箱形梁的结构与受力特点

峰，而远肋翼板处则产生应力低谷，这称为“正剪力滞”；反之，如果近肋翼板处产生应力低谷，而远肋翼板处则产生应力高峰，则为“负剪力滞”。对于肋距较大的宽箱梁，这种应力高峰可达相当大比例，必须引起重视。

2、刚性扭转

刚性扭转即受扭时箱形的周边不变形。扭转产生扭转角θ。分自由扭转与约束扭转。 （1）自由扭转：箱形梁受扭时，截面各纤维的纵向变形是自由的，杆件端面虽出现凹凸，但纵向纵维无伸长缩短，能自由翘曲，因而不产生纵向正应力，只产生自由扭转剪应力

τK。

（2）约束扭转：受扭时纵向纤维变形不自由，受到拉伸或压缩，截面不能自由翘曲。约束扭转在截面上产生翘曲正应力σw和约束扭转剪应力τw。

产生约束扭转的原因：支承条件的约束，如固端支承约束纵向纤维变形；受扭时截面形状及其沿梁纵向的变化，使截面各点纤维变形不协调也将产生约束扭转。如等厚壁的矩形箱梁、变截面梁、设横隔板的箱梁等，即使不受支承约束，也将产生约束扭转。

3、畸变（即受扭时截面周边变形）

畸变的主要变形特征是畸变角γ。薄壁宽箱的矩形截面受扭变形后，无法保持截面的投影仍为矩形。畸变产生翘曲正应力σdw和畸变剪应力τdw。

4、横向弯曲：畸变还会引起箱形截面各板的横向弯曲，在板内产生横向弯曲应力σdt （纵截面上）。

5、局部荷载的影响：箱形梁承受偏心荷载作用，除了按弯扭杆件进行整体分析外，还应考虑局部荷载的影响。车辆荷载作用于顶板，除直接受荷载部分产生横向弯曲外，由于整个截面形成超静定结构，因而引起其它各部分也产生横向弯曲。图2-5表示箱形截面在顶板上作用车辆荷载，在各板中产生横向弯矩图。这些弯矩在各板的纵截面上产生横向弯曲正应力σc及剪应力。

综合箱形梁在偏心荷载作用下产生的应力有： 在横截面上：纵向正应力：σz=σM+σw+σdw 剪应力：τ=τK+τM+τw+τdw 在纵截面上；横向弯曲正应力：σs=σdt+σc

图2-5 局部荷载作用下

横向弯矩图

在预应力混凝土梁中，跨径越大，恒载占总荷载比例就越大。一般地，由于恒载产生的对称弯曲应力是主要的，而由于活载偏心所产生的扭转应力是次要的。如果箱壁较厚，或沿梁的纵向布置一定数量的横隔板，限制箱形梁的畸变，则畸变应力也是不大的。但对于少设或不设横隔板的宽箱薄壁梁，畸变应力不可忽视。板的横向应力对于顶板、肋板及底板的配筋具有重要意义，必须引起重视。

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《桥梁设计理论》 蔡金标 第三讲 薄壁箱梁的弯曲剪应力

第三讲 薄壁箱梁的弯曲剪应力

现代工程结构广泛使用薄壁结构，特别是桥梁工程，从特大跨径的悬索桥、大跨径斜拉桥，到中小跨径的连续梁桥，甚至简支梁桥等，多采用箱形截面的薄壁结构或桁架形式的薄壁杆件。如杭州湾跨海大桥，建设方采用设计施工总承包的招标方式，各投标单位均采用了钢箱梁斜拉桥和箱形截面混凝土连续梁桥形式。

1、悬索桥：主要有美国式和英国式两种形式悬索桥。美国式悬索桥采用钢桁架加劲梁（如Golden Gate bridge，Verrazano bridge，日本的明石海峡大桥等）；英国式悬索桥采用钢箱梁（如Severn bridge， Humber bridge，我国的江阴长江大桥，在建的润扬长江大桥南汊桥等）。

2、斜拉桥：主梁多采用预应力混凝土或钢结构箱形截面。如日本多多罗大桥、南京长江二桥、等采用钢箱梁；而钱江三桥、招宝山大桥等采用预应力混凝土箱形梁。

3、悬壁梁桥、T型刚构桥、连续梁桥：多采用预应力混凝土箱梁作主梁。如虎门大桥辅航道桥、南京长江二桥北汊桥、钱江二桥、钱江五桥、钱江六桥等。

薄壁杆件在弯扭变形时，其正应力和剪应力分布及大小与通常的实体截面杆件差别很大，且开口截面与闭合截面杆件在相同受力情况下其正应力和剪应力也大不相同。因此，有必要对开口截面和闭合截面杆件分别加以讨论。

第一节 坐标系的建立

薄壁杆件分析中，常取杆件的中面（到两纵向表面距离相等的面）来表示杆件，取横截面的中线表示横截面。

应用的坐标系有两种，如图3-1所示。其一是以截面某一特定点为原点（如形心）的xyz固定坐标系，取杆件轴线为z轴，坐标轴正向符合右手法则；或者为了运算方便，采用曲线坐标，即在截面上选定一原点o，以自原点o量取的截面中线（曲线）长s为坐标量值，取逆时针方向为正，于是截面上任意点p的位置可表示为p(x,y,z)或p(s,z)。

其二是以截面上任意点p为原点的pnτz动坐标系，z轴平行于杆件轴线，τ为p点处截面中线的切线，n为相应的外法线，三者之间也符合右手法则。

y nx o ysp(s,z)ox

τz 图3-1 二种形式坐标系

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