《Journal of Marine Science and Engineering》：Advances in Coastal Hydrodynamic and Morphodynamic Processes Under a Changing Climate
Antonis Chatzipavlis and
Simone Simeone
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为研究在自锚式悬索-斜拉协作体系中长期承受高轴向压力的正交异性钢箱梁的局部稳定性问题，本研究依托实际工程，开展了1:4缩尺钢箱梁节段轴压试验。通过系统分析U形加劲板与顶底板、腹板的协同工作机制，以及横隔板在轴压下的受力机理与约束效应，明确了U肋加劲板在高轴压条件下的协同受力机理，量化了横隔板对局部稳定性的贡献。研究结果为解决大跨度桥梁在低塔、小矢跨比等特殊工况下钢箱梁的局部失稳风险提供了关键试验数据与理论依据，对同类桥梁的结构设计具有重要参考价值。
在桥梁工程不断追求更大跨度、更优性能的今天，自锚式悬索-斜拉协作体系桥凭借其兼具悬索桥大跨越能力和斜拉桥高刚度的优点，成为了大跨度桥梁结构创新的重要方向。在这类桥梁中，正交异性钢箱梁因其自重轻、抗弯刚度高、工厂预制精度高等显著优势，被广泛用作主梁结构形式。然而，这类本质上属于薄壁组合结构的正交异性钢箱梁，对轴向压力极为敏感，容易发生局部屈曲失稳。特别是在自锚式悬索-斜拉协作体系中，由于低塔、小矢跨比等结构特点，主梁往往长期承受高水平轴向压力，使其局部稳定性问题比常规桥型更为突出，成为制约结构安全的关键因素。尽管已有研究为钢箱梁的稳定性分析奠定了坚实基础，但在复杂轴压状态下，钢箱梁节段体系中“顶底板-U肋”协同受力的演化机制，以及横隔板在此过程中的力传递路径与约束效应，相关研究仍显不足。尤其是在自锚式悬索-斜拉协作系统的特定工况下，针对钢箱梁节段的系统性研究，以及U肋加劲底板在真实边界约束下的“受力-屈曲”全过程演化规律，仍缺乏关键的实测数据支持和深入的机理分析。
为了填补上述研究空白，深入探究在高轴压和强约束共同作用下U肋加劲底板“板-肋”协同受力与屈曲演化规律，以及横隔板传力机制对局部稳定性的影响机理，一篇题为“Advances in Coastal Hydrodynamic and Morphodynamic Processes Under a Changing Climate”的研究论文在《Journal of Marine Science and Engineering》上发表。该研究依托某大跨度自锚式悬索-斜拉协作体系桥实际工程，通过开展正交异性钢箱梁节段缩尺模型的轴压试验，监测关键构件的应变与变形响应，聚焦于协作体系桥特殊工况下U肋加劲底板的失稳机理，并阐明了横隔板的约束机制。
本研究采用了几项关键技术方法。首先是缩尺模型试验，研究基于相似理论，最终确定了1:4的几何缩尺比，并采用Q345B钢材制作了长10.5米、宽3.2米、高1.1米的单箱三室缩尺模型，以反映原型桥在中跨高轴压下的力学行为。其次是高精度数据采集系统，试验采用标准单向电阻应变片（型号BX120-3AA）布置于顶板、底板、腹板及横隔板的关键截面，通过多通道静态应变采集系统，以小于±0.5% FS的测量不确定度和1 με的分辨率，精确捕捉应变梯度和内力重分布机制。第三是大吨位“预应力钢棒-同步千斤顶”加载系统，针对高达2000吨的加载需求，该系统采用850吨千斤顶（顶部4个，底部4个）和16MnCr预应力钢棒，通过同步控制系统实现多点协同加载，理论最大加载能力达4000吨，并采用一端固定、一端滑动的边界条件模拟实际约束。此外，研究还进行了材料性能测试，对模型所用不同厚度的钢板沿轧制方向的不同角度取样，依据GB/T 228标准进行拉伸试验，以获取材料的实际力学参数。
应力分析结果揭示了U形加劲板的协同工作机制。
通过对第2、4、6、7、9、11号箱室的板-肋应变数据分析发现，在轴压下，顶底板与U肋之间的应变差随荷载增加呈非线性扩大。临近极限荷载时，底板、顶板和腹板的平均应变差分别为1397.8 με、993.3 με和667.3 με，且端部箱室的应变差显著大于跨中箱室。这表明，在加载后期发生了明显的内力重分布：顶底板的压应力持续增长，而U肋的应力则趋于稳定甚至下降，平面假定在临界荷载下失效。应变差分布图进一步显示，顶底板应变差多为正（即顶底板应变大于U肋），而腹板应变差的正负分布相对均匀。这些发现定量揭示了在高轴压区，外部荷载主要由顶底板承担，而U肋呈现“卸载”趋势的力学本质，为U肋设计提供了依据。
轴载下横隔板的应力分析阐明了其约束效应。
试验表明，在轴压下，横隔板整体基本处于受拉状态，该拉应力主要由纵向受压板产生的横向泊松效应引起，其值较小，且横隔板在整个试验过程中未发生失稳。更为重要的是，横隔板对加劲板的约束并非理想的刚性支撑，而更符合弹性支撑的特征。通过分析沿纵向的应变分布发现，随着荷载增加，横隔板两侧的应变逐渐大于横隔板处的应变，且差值显著增大，这证实了横隔板能有效约束顶板、底板和腹板的面外位移。研究表明，这种约束效应存在明显的方向性差异：横隔板对腹板的约束最强，对顶板和底板的约束则较弱。通过定义约束系数κ并基于试验数据进行刚度反演，得到的横隔板等效约束刚度约为1.9 × 105N/mm。将该刚度代入欧拉弹性地基连续梁模型，计算得到的理论临界荷载为23,900 kN，与试验观测值21,600 kN的误差为10.6%，验证了将横隔板简化为弹性支撑的合理性。分析模型表明，在材料属性不变的情况下，减小横隔板间距L或增加其刚度k，可显著提高体系的临界荷载，从而从理论上量化了优化横隔板配置对提升结构稳定性的贡献。
试验现象与失效机理揭示了局部失稳模式。
试验加载至21,600 kN时，模型发生塑性失稳，其核心破坏模式表现为第2箱室底板整体向U肋侧弯曲。与足尺加劲板独立构件试验中主要表现为端部U肋局部失稳不同，在钢箱梁节段真实的多向约束体系下，U形加劲板的受力行为与屈曲机理更为复杂，表现为板-肋组合体系的整体弯曲变形主导了失稳过程。结合初始缺陷和边界条件分析，受端部加强区复杂受力和应力集中影响，端部截面（S1）压应力激增，诱发第2箱室面外位移急剧增大，并在中间横隔板处（S3截面）形成第二个反弯点，迫使第3箱室跟随变形，最终因第2箱室底板凸起变形过大而率先引发失稳破坏，伴随第3箱室底板的凹进变形，形成了典型的“S形”变形模式，中间的横隔板则充当了变形反弯点。
研究结论与讨论强调了本工作的理论价值与工程意义。
本研究通过缩尺钢箱梁节段轴压破坏稳定性试验，系统分析了U肋加劲板的协同受力特性及横隔板的约束效应，主要得出以下结论：
- 1.
在轴压下，板-肋应变差随荷载非线性增大。底板应变差最大，顶板次之，腹板最小，且端部应变差显著大于跨中。加载后期，顶底板压应力持续升高，而U肋应力趋于稳定或下降，表明临界荷载下平截面假定失效，这为高轴压区U肋设计提供了定量依据。
- 2.
横隔板在轴压下主要承受泊松效应引起的拉应力，全程未失稳。其对加劲板的约束行为符合弹性支撑特征，且约束刚度存在方向性差异，对腹板的约束显著强于顶板和底板。
- 3.
横隔板约束导致相邻箱室产生相反的变形，形成“S形”屈曲模式，其本身则充当变形反弯点。基于试验应变反演的等效约束刚度经理论模型验证，误差为10.6%，证实了弹性支撑简化方法的合理性。
本研究的意义在于，首次通过系统的节段模型试验，揭示了自锚式协作体系桥钢箱梁在高轴压下的板-肋协同工作机理和横隔板的弹性约束作用，量化了内力重分布规律和横隔板的贡献。研究结果表明，尽管横隔板不提供完全刚性边界，但其弹性约束足以改变屈曲模态，是控制高轴压钢箱梁局部失稳的关键因素。这为突破传统基于刚性支撑假定的稳定性设计方法，发展更为经济高效的、考虑实际约束刚度的非线性分析与优化设计提供了重要的试验依据和理论参考。研究成果对保障同类大跨度桥梁的结构安全、优化其细部设计具有直接指导价值。
