波形钢腹板连续刚构桥静力特性分析

安里鹏，汪 宏，安永日

（1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

波形钢腹板连续刚构桥静力特性分析

安里鹏1，汪 宏2，安永日2

（1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

以主跨为160 m的波形钢腹板和预应力混凝土桥为研究对象，通过数据模拟分析，比较了2种结构的预应力效应、温度梯度、温度变化、成桥状态下的应力分布和徐变收缩等影响。计算结果表明:与预应力混凝土桥相比，波形钢腹板桥的预应力效率高，但徐变收缩导致的预应力损失大，受温度影响略小。

波形钢腹板;连续刚构桥;预应力效应;静力特性

波形钢腹板箱梁是用波形钢板代替混凝土腹板，与PC箱梁桥相比有以下优点［1］:箱梁自重减轻10%～25%;波形钢腹板的折绉效应提高了预应力的效率;体外索可调换;波形钢腹板抗剪强度高;有效解决传统PC箱梁桥腹板的开裂问题;造型美观、施工方便，提高了施工速度等。我国在2005年1月建成国内首座波形钢腹板PC组合箱梁桥——淮安长征桥，截止2010年底，我国已建成13座，包括在建桥梁有22座。

各国学者对波形钢腹板PC箱梁桥已进行了一系列的研究。国外对该类型桥梁的研究主要有:R.Luo，等［2］对波形钢腹板的屈曲进行了系统研究;EL-Metwally，等对波形钢腹板梁的抗弯性能进行了研究;Y.L.Mo，等［3］对波形钢腹板梁的抗扭进行研究;C.L.Chan，等［4］对波形钢腹板梁的极限承载能力进行了研究。

在国内，王福敏，等［5］探讨了波形钢腹板承载能力及发生失稳的规律;吴文清［6］提出了单箱单室波形钢腹板组合箱梁有效宽度计算公式;李宏江［7］分析了这种结构在偏心荷载作用下的扭转性能及其计算方法，并提出此类梁的挠度计算方法;徐岳，等［8］对波形钢腹板组合箱梁极限承载力进行了分析。王芳［9］推导了波形钢腹板组合箱梁的长期预应力筋损失和徐变变形计算公式。

目前，上述国内对波形钢腹板PC箱梁桥的研究多集中于主跨小于40 m的中小跨径，对特大跨径波形钢腹板PC箱梁桥的研究相对较少。随着国内波形钢腹板桥设计、施工技术的不断成熟，波形钢腹板桥梁逐步在向大跨径方向发展，但其受力性能尚存在不明的地方。

因此，笔者以主跨为160 m的波形钢腹板和预应力混凝土箱梁桥为研究对象，通过数据模拟，分析其受力特性。

1 有限元模型的建立

1.1 桥梁概况

建模桥梁跨径为90 m+160 m+90 m的波形钢腹板PC组合箱梁连续刚构桥和PC连续刚构桥，主墩均为双肢薄壁墩。波形钢腹板桥的墩高为60 m，PC桥的墩高为59.5 m。桥梁结构主要尺寸见图1。

波形钢腹板桥桥墩根部梁高9.5 m，跨中及边墩处梁高4.5 m，梁截面顶板宽12 m，底板宽6.5 m，底板厚0.3～1.1 m，腹板厚12～24 mm。PC 桥桥墩根部梁高10 m，跨中及边墩处梁高3.25 m，梁截面顶板宽12 m，底板宽 6.6 m，底板厚0.4～1.4 m，腹板的厚度为0.4～1.0 m。2结构梁高及底板厚均按2次抛物线变化，桥梁横截面主要尺寸及钢腹板波形见图2。

图1 桥梁结构主要尺寸（单位:cm）Fig.1 The main dimensions of bridge structure

图2 截面主要尺寸（单位:cm）Fig.2 The main dimensions of cross-section

1.2 建模

利用MIDAS软件共建立3个模型，模型1为波形钢腹板PC组合箱梁连续刚构桥模型（图3），模型2为模型1中的波形钢腹板用RC代替，顶底板与预应力布置与模型1相同。因模型2受力不能满足设计要求，模型3为满足受力要求的PC连续刚构桥模型。

3模型均采用梁单元。波形钢腹板结构梁单元，采用波形钢腹板形式截面或变截面建立。墩底约束全部位移和转角，约束梁两端y、z方向位移和Rx、Rz方向转角。顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为 z轴。梁采用 C60混凝土，波形钢板采用Q345C，预应力束 fpk=1 860 MPa。

图3 波形钢腹板连续刚构桥模型Fig.3 The model of continuous rigid frame bridge with corrugated steel webs

模型1和模型3梁部和全桥自重如表1，模型1梁部和全桥自重分别为模型3的81%、84%。模型1和模型3的跨中及桥墩根部梁截面模量如表2，模型1截面面积为模型3的0.51～0.76倍，模型1截面Iyy在跨中处为模型3的1.95倍，桥墩根部处为0.64 倍;模型1 截面 Izz为模型3 的0.46 ～0.72倍。

表1 梁部及整体结构自重Tab.1 Self-weight of bridge structure /kN

2 计算结果及分析

2.1 预应力效应比较

预应力索张拉力对梁产生的应力分布如表3。在顶板，模型1应力为模型2的1.20～1.46倍，均受压。在底板，2模型在中跨和边跨跨中均受压，模型1应力分别为模型2的1.24和1.29倍。在负弯矩区的顶板和正弯矩区的底板对波形钢腹板有利。其主要原因为波形钢腹板的折绉效应，提高了预应力效应。

比较模型1和模型3，考察顶板应力分布，模型1为模型3的0.94～1.47倍，均受压。在底板，2模型在中跨和边跨跨中均受压，模型1应力为模型3的1.15和1.86倍，其主要原因仍为波形钢腹板的折绉效应。模型3梁截面应力值基本大于模型2，主要原因为模型3的预应力钢束布置与实际情况接近，数量较模型2多。

表2 截面主要特征值比较Tab.2 Comparison of main eigenvalue of cross-section

表3 初始张拉力引起的截面顶底板正应力比较Tab.3 Comparison of the direct stress on the top and bottom of the cross-section /MPa

2.2 收缩徐变引起的预应力损失比较

收缩徐变引起的预应力损失如表4。预应力钢束分别取了顶、底板截面中最长、最短及中等长度钢束。

比较模型1和模型2，模型1的预应力损失是模型2的1.15～1.71倍。比较模型1和模型3，模型1的预应力损失是模型3的0.95～2.01倍。波形钢腹板结构预应力损失比PC结构大的主要原因为，波形钢腹板结构预应力初始张拉力对混凝土产生的应力比PC结构大，引起结构的收缩徐变较PC结构大。

表4 收缩徐变引起的预应力损失比较Tab.4 Comparison of prestress loss caused by shrinkage and creep /MPa

2.3 成桥状态时截面应力比较

结构实际工作状态即成桥状态梁正应力分布如表5。比较模型1和模型2，模型1压应力为模型2的1.04～2.43倍，比较模型1和模型3，模型1压应力是模型3的0.93～7.65倍，在负弯矩区的顶板和正弯矩区的底板对波形钢腹板结构有利。其主要原因为波形钢腹板结构的截面面积较PC结构小和波形钢腹板的折绉效应影响。

表5 成桥状态截面顶、底板正应力比较Tab.5 Comparison of direct stress on the top and bottom of the cross－section under the finished bridge state /MPa

2.4 温度梯度和温度变化时应力比较

温度梯度及温度变化效应对截面顶部产生的应力分布如表6。在温度梯度工况下，模型1为模型3的89% ～95%，对波形钢腹板结构有利，正温差产生压应力，最大值为4.8 MPa，负温差产生拉应力，最大值为2.4 MPa。主要原因为正温差引起梁的上挠转角效应，导致上缘受压，反温差效应正好与之相反。

温度变化对模型1和模型3上缘影响很小，产生的最大压应力为 0.1 MPa，最大拉应力为0.3 MPa，且模型1上缘应力与模型3基本相等。

表6 截面顶板在温度梯度和温度变化工况下应力比较Tab.6 Comparison of stress on the top of the cross-section under the temperature gradient and temperature changing/MPa

2.5 结构验算

对模型1和模型3进行正常使用极限状态下验算，结果如表7，模型1和模型3均满足设计要求。

表7 模型验算Tab.7 Model checking /MPa

3 结论

根据对波形钢腹板结构和PC结构的预应力效应、温度梯度、温度变化、成桥状态下的应力分布和徐变收缩等影响的比较分析，得到以下结论:

1）在预应力钢束布置及顶底板截面相同的条件下，波形钢腹板预应力效应可比 PC结构大20%～46%，充分发挥了波形钢腹板的折绉效应。

2）收缩徐变引起的波形钢腹板结构预应力损失为PC结构的0.95～2.01倍，基本对波形钢腹板结构不利。对此，可适当增加波形钢腹板结构的预应力钢束来减少预应力损失对结构的影响。

3）在成桥状态，波形钢腹板的压应力为PC结构的0.93～7.65倍，在负弯矩区的顶板和正弯矩区的底板对波形钢腹板结构有利。

4）温度梯度工况下，波形钢腹板结构应力为PC结构的89% ～95%，对波形钢腹板有利。

5）温度变化对两结构的影响微小。

（References）:

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XU Jun-lan，GU An-bang.The analysis on structure and force in combined box-girder with corrugated steel webs［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2004，24（2）:1-4.

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WANG Fu-min，ZHOU Chang-xiao，ZHANG Chang-qing.Stability experimental study of box-girder with corrugated steel webs［J］.Technology of Highway and Transport，2003，10（5）:53-56.

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XU Yue，ZHU Wan-yong，YANG Yue，et al，Calculation of ultimate moment capacity of prestressed concrete box-girder bridge with corrugated steel webs［J］.Journal of Chang'an University，2005，3（2）:60-64.

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Static Analysis of Characteristic of Continuous Rigid Bridge with Corrugated Steel Webs

AN Li-peng1，WANG Hong2，AN Yong-ri2
（1.School of Civil Engineering ＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.China Merchants Chongqing Communications Research ＆ Design Institute Co.，Ltd.，Chongqing 400067，China）

The corrugated steel web structures with a span of 160 meters and prestressed concrete bridge were studied.By analyzing the simulation data，the prestressing effect，temperature gradient，temperature changing，stress distribution under the finished bridge status and shrinkage and creep of the structure between the two different structures were compare.According to the results，the corrugated steel webs bridge had higher efficiency of prestressing than prestressed concrete bridge;on the other hand，corrugated steel webs bridge’s prestress suffered more;the temperature exerted little influence on it.

corrugated steel webs;continuous rigid frame bridge;prestressing effect;static characteristic

U441.5

A

1674-0696（2011）05-0903-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.004

2011-06-07;

2011-06-21

安里鹏（1987-），男，河南洛阳人，研究生，主要从事大跨径桥梁设计理论方面的研究。E-mail:zzdxanlipeng@163.com。