《Coatings》：Special Issue: “Laser-Assisted Coating Techniques and Surface Modifications”
Haiying Song and
Fujiang Tao
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为揭示自锚式悬索-斜拉协作体系桥梁钢箱梁在高轴压下的局部稳定性问题，研究人员通过1:4缩尺模型的轴压破坏试验，系统研究了U形加劲肋（U-rib）与桥面板的协同工作性能及横隔板（diaphragm）的约束机制。结果表明，U形加劲肋与桥面板的应变差随荷载非线性增大，横隔板主要为弹性约束，对腹板约束最强。该研究阐明了U形加劲肋的协同受力机制，为类似桥梁结构设计提供了理论依据。
随着大跨度桥梁设计的深入与制造技术的革新，自锚式悬索-斜拉协作系统桥梁（self-anchored suspension-cable-stayed cooperative system bridge）凭借其兼具悬索桥大跨越能力与斜拉桥高刚度优势的特点，成为大跨度桥梁结构创新的重要发展方向。在这类桥梁中，正交异性钢箱梁（orthotropic steel box girder）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，正交异性钢箱梁本质上是薄壁组合结构，对轴向压力极为敏感，容易出现局部屈曲失稳（local buckling instability）。特别是在自锚式悬索-斜拉协作系统中，由于低塔、小矢跨比等结构特点，主梁在成桥及运营阶段长期承受高水平轴向压力，使其局部稳定性问题较常规桥型更为突出，成为制约结构安全的关键因素。尽管已有研究丰富了加劲肋的计算理论，但对于钢箱梁节段体系中“桥面板-U肋”协同受力演化机制，以及横隔板在复杂轴压状态下的传力路径与约束效应研究仍显不足。现有试验也多集中于常规桥型的标准构件或简化边界模型，缺乏针对自锚式悬索-斜拉协作系统特定工况下钢箱梁节段的系统研究，尤其对真实边界约束下U肋加劲底板“受力-屈曲”全过程演化规律，以及横隔板在其中的参与作用，仍缺乏关键的实测数据支撑与深入的机理分析。为了填补这些研究空白，并为实际工程设计提供理论参考，本文依托实际工程，开展了相关研究。
本研究依托某大跨度自锚式悬索-斜拉协作系统桥梁，通过正交异性钢箱梁节段缩尺模型（scaled model）的轴压试验，监测关键构件的应变与变形响应，重点关注协作系统中该桥U肋加劲底板在特殊工况下的失稳机理，阐明横隔板的约束机制。研究所采用的主要关键技术方法包括：基于相似理论的缩尺模型设计与Q345B钢材的材料性能测试；采用“预应力钢棒-同步千斤顶”加载系统进行高达21600 kN的轴压破坏试验；在桥面板、U肋及横隔板上布置大量单轴电阻应变片，通过多通道静态应变采集系统获取高精度应变数据；以及通过有限元分析（FEA）为加载方案制定提供理论依据，并利用试验数据进行刚度反算与理论验证。
应力分析结果：
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U形加劲肋应力分析：研究表明，在轴压作用下，桥面板与U肋之间的应变差随着荷载增加而显著增大，呈现出非线性发散的规律。在接近极限荷载时，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，且端部隔室的应变差明显大于跨中。在加载后期，桥面板的压应力持续上升，而U肋的应力则趋于稳定甚至下降，表明在临界荷载下平截面假定不再成立，内力发生了显著重分布。这揭示了在高轴压区，U肋与桥面板的协同工作性能发生改变，荷载主要由桥面板承担。应变分布规律整体表现为“底板差异 > 顶板差异 > 腹板差异”。
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横隔板在轴压下的受力分析：在轴压荷载下，横隔板整体基本处于受拉状态，其拉应力主要由纵向受力板在轴向压力下产生的横向泊松效应引起，数值普遍较小，且在试验全过程中未发生局部失稳现象。这表明在此应力状态下，横隔板自身是稳定的。
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横隔板对整体模型受力的影响分析：横隔板对加劲板的约束行为并非理想的刚性支撑，更符合弹性支撑（elastic support）的特性。其约束刚度存在明显的方向性差异，对腹板的约束效果显著强于对顶板和底板的约束。应变沿纵向分布图显示，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，且二者差异显著增大，这证实了横隔板能有效约束顶板、底板和腹板的法向位移。通过引入约束系数κ并进行刚度反算，得到横隔板的等效约束刚度k约为1.9×105N/mm。将该刚度代入欧拉弹性地基连续梁模型，得到的理论临界荷载与试验值误差为10.6%，验证了将横隔板简化为弹性支撑的合理性。分析表明，在材料属性不变的情况下，减小横隔板间距L或增大其刚度k，可显著提高体系的临界荷载。
研究结论与讨论：
本研究通过钢箱梁节段缩尺模型的轴压破坏稳定性试验，系统分析了U形加劲肋的协同受力特性及横隔板的约束效应，主要得出以下结论：
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U形加劲肋的非线性协同工作：在轴压作用下，桥面板与U肋间的应变差随荷载非线性增大。在极限荷载附近，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，端部值显著大于跨中。加载后期出现明显的内力重分布：桥面板压应力持续升高，而U肋应力趋于稳定或下降。这表明在临界荷载下平截面假定失效，为高轴压区U肋的设计提供了定量依据。
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横隔板的弹性约束特性：横隔板在轴压荷载下主要承受由泊松效应引起的拉应力，全过程未发生失稳。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，对腹板的约束效果显著强于对顶板和底板。
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横隔板间距与刚度的优化意义：分析表明，减小横隔板间距或提高其刚度，可以显著提升结构的临界荷载。这从理论上量化了优化横隔板配置对改善结构稳定性的作用。
综上所述，本研究阐明了在高轴压条件下U形加劲肋的协同受力机制，量化了横隔板对局部稳定性的贡献。尽管横隔板不提供完全刚性的边界，但其弹性约束足以改变屈曲模式，是控制高轴压钢箱梁局部失稳的关键因素。研究成果为类似桥梁的结构设计，特别是在自锚式悬索-斜拉协作系统等承受高轴压的特殊桥型设计中，提供了重要的理论依据和数据支撑，对提高此类结构的局部稳定性和安全性具有指导意义。论文发表在《Coatings》期刊的特刊“激光辅助涂层技术与表面改性”上。
