双箱单室波形钢腹板预应力组合梁桥设计分析

何琦琪

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530028)



双箱单室波形钢腹板预应力组合梁桥设计分析

何琦琪

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530028)

文章设计了一座双箱单室波形钢腹板预应力组合梁桥，并建立有限元实体模型对其应力分布情况进行了分析计算。通过成桥试验验证，得出该桥梁构造合理、各部连接可靠、有限元模拟分析方法正确，可为同类型桥梁的设计、研究提供参考。

波形钢腹板组合梁桥；结构设计；有限元分析；实体模型；试验验证

0　引言

波形钢腹板预应力组合箱梁解决了桥梁轻型化和混凝土腹板的开裂问题，而且相较于平面钢腹板梁桥，波形钢腹板的褶皱效应使得顶底板混凝土因收缩徐变产生的纵向变形不受约束，从而提高其预应力效率。同时，波形钢腹板具有施工进度快、便于维修和补强、造型美观等优点，是目前推广应用的一项新材料、新技术。

本文设计了一座双箱单室波形钢腹板预应力组合梁桥，并建立有限元实体模型进行分析计算，通过成桥试验验证，桥梁构造合理、各部连接可靠、有限元模拟分析方法正确，可为同类型桥梁的设计、研究提供参考。

1　工程概况

广西隆百高速公路K118+155东部2号高架桥，桥梁跨度40 m，简支体系，单幅桥宽12.75 m，桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级，桥梁总体布置图如图1所示。

图1　桥梁总体布置图(单位：cm)

2　结构设计

K118+155上部结构其中一幅采用传统的小箱梁结构，另一幅采用双箱单室波形钢腹板预应力组合梁桥结构。为了提高整个结构的横向刚度和扭转刚度，防止结构产生影响适用的侧向变形和横向振动，除端横隔板外，波形钢腹板预应力组合梁桥跨间共布置五道横隔板，桥梁具体设计参数如表1所示。桥梁采用的施工方案为波形钢腹板在工厂分段轧制，现场拼接，然后整体浇注上下混凝土翼缘板。

表1　桥梁设计主要参数表

图2桥梁上部结构一般构造图(单位：cm)

图3　桥梁箱梁断面图(单位：cm)

图4　桥梁波形钢腹板构造图(单位：mm)

波形钢腹板预应力组合梁桥钢腹板与顶底板混凝土的连接、钢腹板节段之间的连接及与横梁的连接是设计的重点，直接决定着结构的整体性和纵向水平力传递的有效性。桥梁波形钢腹板与顶底板混凝土的连接采用焊钉连接件与开孔钢板连接件的组合方式，如图5所示，在波形钢腹板的上下端部焊接倒T形钢板，钢板上开孔，孔中贯穿普通钢筋，同时在倒T形钢板两侧焊连接栓钉，使之成为整体受力骨架，埋入混凝土顶底板内的贯穿钢筋和所开孔中的混凝土销、栓钉共同参与抗剪。

桥梁波形钢腹板节段的连接采用钢板搭接，配以贴角焊缝和高强螺栓的连接方式，为确保接口有充分的抗疲劳性能，采用如图6所示的接口构造。波纹钢腹板与端横隔梁的连接采用翼缘型和嵌入型组合方式，与跨内混凝土横隔板之间的连接通过焊钉接合。

图5　波形钢腹板与顶底板连接示意图(单位：cm)

图6　波形钢腹板节段连接示意图

3　计算分析

桥梁设计采用ANSYS有限元软件对应力分布情况进行分析。考虑波形腹板的纵向刚度较低、竖向剪切刚度偏小、扭转和畸变较大等特性，需要建立合理的三维有限元模型进行计算。顶底板混凝土采用SOLID45单元，预应力钢束采用LINK8单元，波形钢腹板采用SHELL63单元、支座采用Solid45实体单元模拟，建立桥梁有限元实体模型如图7所示。

图7　桥梁有限元实体模型图

波形钢腹板在桥梁纵向能够自由变形，混凝土顶底板因收缩、徐变及钢板与翼缘板的温差所引起的应力，不受波形钢腹板的影响，可以忽略收缩、徐变等引起的次应力。桥梁计算主要结果见表2及图8～9，结果表明，结构设计满足相关规范要求。

表2　桥梁有限元分析应力计算结果表

图8　钢腹板最大主拉应力云图(自重+预应力+二期恒载+温度梯度+车辆荷载(偏载))

图9　钢腹板最大主压应力云图(自重+预应力+二期恒载+温度梯度+车辆荷载(偏载))

4　试验验证

桥梁施工完成后，为验证桥梁的施工质量和设计、计算的正确性，对桥梁进行了静、动载试验测试。试验测点布置如图10所示，其中纵向应变测点及挠度测点布置于跨中截面，剪应变测点布置于梁端剪力最大截面。

图10　桥梁静、动载试验测点布置示意图

静载试验设置三个工况：(1)跨中截面最大正弯矩正载；(2)跨中截面最大正弯矩偏载；(3)梁端截面最大剪力正载[1]。静载试验挠度测试结果如表3所示，应变测试结果如表4～5所示[2]。由试验结果可知，桥梁的挠度、应变校验系数均<1，说明结构具有足够的刚度、强度。

表3　跨中截面挠度测试表 (单位：mm)

表4　纵向应变测试表

表5　剪应变测试表

动载试验进行了脉动试验、跑车试验及跳车试验，测得桥梁的基频为3.65 Hz[2]，稍大于理论基频，振型与理论分析相符，说明实桥的刚度>理论模型。另测得桥梁的冲击系数在0.096～0.178之间，与理论冲击系数0.160较为接近。

5　结语

经结构静、动载试验测试可知，桥梁应变和挠度均在合理范围，整体刚度、强度满足设计及规范要求；固有基频及冲击系数与理论值相近，结构动力性能良好。由静载、动载试验的测试结果与理论分析的计算值比较可知，各项数据分布均匀，呈现出较强的规律性，吻合较好，说明桥梁构造合理、各部连接传力可靠，有限元模拟分析方法正确。该桥迄今已通车三年，各项性能优异。

[1]李宏江，叶见曙，万水，等.波形钢腹板预应力混凝土箱梁的试验研究[J].中国公路学报，2004，17(4)：31-36.

[2]广西壮族自治区交通科学研究院.隆林至百色高速公路K118+155东部2号高架桥荷载试验报告[R].2011.

Design and Analysis of Twin-box Single-chamber Prestressed Composite Girder-bridge with Corrugated Steel Webs

HE Qi-qi

Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530028)

This article designed a twin-box single-chamber prestressed composite girder bridge with corrugated steel webs，and established the finite element physical model to analyze and calculate its stress distribution.Through the experimental verification of completed bridge，it obtained that this bridge structure is reasonable，with reliable connection among all parts，the finite element simulation analysis method is correct，which can provide reference for the design and research of same type of bridges.

Composite girder bridge with corrugated steel webs；Structural design；Finite element analysis；Physical model；Experimental verification

U448.21

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.015

1673-4874(2016)05-0056-03

2016-04-27

何琦琪(1980—)，工程师，研究方向：桥梁设计。