波形钢腹板连续组合箱梁桥抗弯性能分析

任大龙，李文虎，万水

(1.常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室(常州工学院)，江苏 常州 213002;2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096)

波形钢腹板组合箱梁是用波形钢腹板替代混凝土腹板，通过抗剪连接件与混凝土顶板和底板连接而形成的新型组合结构。波形钢腹板不抵抗轴向力，预加力有效地施加到混凝土顶板和底板上，同时波形钢腹板对箱梁顶板和底板由于徐变和干燥收缩所产生的变形不产生约束作用，减小了预应力损失［1-2］，加之波形钢腹板组合梁桥造型美观、施工方便，在近几年桥梁建设中得到快速发展［1，3-4］。目前，市场上没有用于波形钢腹板组合梁桥的专业设计计算程序，该类桥梁的设计通常采用校企联合方式进行，设计单位完成桥梁构造设计，高校及科研部门使用ANSYS、ABQUUS等大型空间有限元程序进行桥梁结构计算与校核。简洁实用的计算方法的缺失，影响着波形钢腹板组合梁桥的进一步应用。为此，本文依托某波形钢腹板连续组合箱梁桥，分析桥梁结构力学特性，提出抗弯计算的简化方法，并对计算结果进行了分析。

1 有效弹性模量

波形钢腹板在轴向力作用下发生很大变形，其实际轴向弹性模量Ex比钢板弹性模量E要小。取一个波长波形钢腹板，H、h、t分别为波形钢腹板的高度、波高(波峰与波谷高差)、钢板厚度，尺寸如图1所示。

图1 波形钢腹板构造

等长度平钢板轴向变形:

其中，波形钢腹板抗弯惯性矩I=Ht3/12，平钢板截面面积A=Ht。

图2 轴向力作用下弯矩图

由 Ex/E=δ2/δ1，将式(1)、式(2)代入 Ex/E=δ2/δ1，得到波形钢腹板有效弹性模量:

对于1200型波形钢腹板，b=330 mm，d=270 mm，h=200 mm，a=330 mm，t=12 mm，代入式(3)，得到Ex=E/611，即波形钢腹板的有效弹性模量为钢板弹性模量的1/611，因此在波形钢腹板PC组合结构抗弯计算中，完全可以忽略波形钢腹板的贡献，这一点与文献［5］～文献［7］结果一致。因此只考虑顶、底板对其中性轴的抗弯作用，即将波形钢腹板PC组合箱梁截面图3(a)等效成图3(b)所示截面。

图3 波形钢腹板组合梁截面换算

2 工程概况

桥梁为三跨波形钢腹板连续组合箱梁桥，跨径布置22 m+36 m+22 m=80 m，桥面宽度2.0 m(人行道)+24 m(行车道)+2.0 m(人行道)=28.0 m，双向6车道，设计荷载为公路-I级。

主梁采用单箱五室直腹板变高截面组合箱梁，顶板宽28.0 m，底板宽23.71 m，翼缘悬臂长2.5 m。梁高按二次抛物线变化，墩顶梁高2.6 m，跨中梁高1.7 m;顶板砼厚27 cm，底板砼厚25 cm。腹板采用1200型波形钢腹板，钢板厚度10 mm，钢材种类Q345d，如图4、图5所示(单位:mm)。

图4 主梁构造图

图5 抗剪连接件

主梁预应力束为体内束、体外束混合配筋方式，混凝土顶、底板布设体内预应力束，箱梁内布设折线形体外预应力束。混凝土顶板采用Twin-PBL抗剪连接件，混凝土底板为嵌入式带板抗剪连接件。边跨端横隔梁厚度1.5 m，墩顶中横隔梁厚度2.0 m。采用满堂支架法现浇施工，一次落架。

3 有限元计算

3.1 有限元模型

采用桥梁博士V3.0.3有限元程序，建立全桥杆系有限元模型。全桥划分为92个单元，93个节点。

2#、28#、66#、92#节点为支座位置，如图6 所示。

图6 桥梁有限元模型

在建模分析中假定:

1)波形钢腹板与混凝土顶、底板连接完全可靠，不产生相对滑移或剪切连接破坏。

2)波形钢腹板具有足够的屈曲强度，不发生任何形式的屈曲破坏。

3)不考虑腹板抗弯刚度，按图3取波形钢腹板等效换算截面。

4)截面法向应变符合平截面分布［5，7］。

5)不考虑钢筋以及混凝土非线性的影响。

按JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(以下简称《桥规》)施加以下作用:

1)收缩徐变天数:10 a(3 650 d)。

2)整体升温温差20℃，整体降温温差10℃。

3)非线形温度:桥面升温14℃，降温7℃。

4)支座不均匀沉降:考虑每个支座可能沉降5 mm。

3.2 计算结果分析

《桥规》规定:使用阶段(标准效应组合)应对预应力混凝土受弯构件受压区混凝土截面进行压应力验算，正截面法向压应力须满足正截面法向压应力 σkc+σpt≤0.5fck。

《桥规》规定:在作用(或荷载)短期效应组合下抗裂应对构件正截面混凝土的拉应力进行验算，正截面法向拉应力须满足σst-σpc≤0.7ftk。

同时满足:在荷载长期效应组合下正截面法向拉应力须满足σlt-σpc≤0。

从图7(a)、(b)可以看出，在持久状况短期效应组合作用下，主梁上缘最大法向拉应力-0.404 MPa，下缘未出现拉应力，满足《桥规》限值-1.85 MPa要求;长期效应组合作用下主梁上、下缘未出现法向拉应力。从图7(c)可以看出，在持久状况标准效应组合作用下，主梁上缘最大法向压应力15.5 MPa，下缘最大压应力12.9 MPa，满足《桥规》限值16.2 MPa要求。

图7 截面法向应力

由图8(a)、(b)可以看出，主梁跨中截面最大正弯矩115 000 kN·m，抗弯承载力128 000 kN·m;支点附近截面最大负弯矩3 760 kN·m，抗弯承载力3 850 kN·m，主梁抗弯承载力满足要求。

4 结论

1)波形钢腹板的有效弹性模量远小于钢材弹性模量，在波形钢腹板组合梁桥抗弯性能分析时，可以忽略波形钢腹板，仅考虑混凝土顶底板的抗弯作用，将主梁截面进行简化。

图8 主梁抗弯强度

2)通过对一座使用ANSYS有限元程序计算的波形钢腹板连续组合箱梁桥的简化计算，其计算结果与ANSYS计算结果一致。

3)采用换算截面进行波形钢腹板组合梁桥结构分析，计算方法简单，计算结果可靠，特别适用于波形钢腹板组合桥梁的设计。

［1］Ren Dalong，Wan Shui.Design and Application of PC Composite Box-Girder Bridge with Corrugated Steel Webs［J］.Applied Mechanics and Materials，2011(71-78):1168-1172.

［2］Elgaaly M，Hamilton R W，Seshadri A.Shear Strength of Beams with Corrugated Webs［J］.Journal of Structural Engineering，1996，122(4):1478-1493.

［3］徐强，万水.波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计与应用［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］万水，李淑琴，马磊.波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁结构在中国桥梁工程中的应用［J］.建筑科学与工程学报，2009，26(6):15-20.

［5］陈建兵，万水，喻文兵，等.波形钢腹板PC组合箱梁弯曲性能理论分析与试验研究［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2004，28(1):14-17.

［6］狄谨，周绪红，孔祥福，等.波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁试验［J］.长安大学学报:自然科学版，2009，29(5):64-70.

［7］陆海峰.波形钢腹板箱梁力学性能研究［D］.南京:东南大学，2003.