波形钢腹板连续梁中横梁受力分析

2017-03-28杨祚国于训涛

城市道桥与防洪 2017年2期

关键词：人孔腹板剪力

杨祚国，于训涛

(1.安徽省江北产业集中区管委会，安徽芜湖 241012;2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海市 200092)

波形钢腹板连续梁中横梁受力分析

杨祚国1，于训涛2

(1.安徽省江北产业集中区管委会，安徽芜湖 241012;2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海市 200092)

波形钢腹板连续梁中横梁剪力传递路径复杂，同时承受多个方向荷载作用，呈现复杂的三维受力模式，需要深入研究。将结合裕溪河大桥工程，以波形钢腹板四跨连续梁为研究对象，采用MIDASFEA通用有限元分析软件建立三维有限元模型，对中横梁受力状态进行研究，重点研究了横梁横向和竖向的拉应力问题，探究其产生的原因。分析结果表明，人孔的局部削弱不是导致拉应力的主要原因，而腹板对横梁的下压和支座的支撑作用是导致横梁顶板和人孔附近区域出现横桥向的拉应力的根本原因；截面腹板及底板区域传递大部分剪力，横梁承受竖向的拉力，会导致竖向拉应力的产生。通过设置横向及竖向预应力，可以减少横梁的横向和竖向拉应力。

组合梁桥；波形钢腹板；中横梁

0 引言

波形钢腹板桥梁是20世纪80年代在法国首先出现的一种新型桥梁，用波形钢板置换混凝土腹板，使箱梁成为由钢筋混凝土和波形钢腹板组成的组合结构。这种结构的自重较轻、工程总造价低、预应力的效率高，具有优越的结构受力和施工性能,可获得良好的经济效益。近些年在国内外逐渐开始广泛应用。

波形钢腹板连续梁的总体受力与预应力混凝土连续梁类似，荷载通过顶板传递到腹板，再传递到横梁进而传递到下部结构。但对于中横梁受力而言，波形钢腹板桥梁受力与混凝土桥梁有很大不同。首先，横梁附近由钢腹板和内衬混凝土传递大部分剪力到中横梁；其次，中横梁内交错着更多的预应力钢束，如纵向体内、体外预应力和横梁横向预应力等。最后，体外束在中横梁位置有锚固装置，也对横梁应力分布有很大影响。考虑以上多种因素，波形钢腹板连续梁中横梁受力呈现复杂的三维受力模式。而关于波形钢腹板连续梁中横梁受力特点没有相关研究。

本文希望通过对波形钢腹板四跨连续梁的中横梁进行三维有限元建模计算分析，探索研究多种荷载作用下中横梁的受力特点，为以后的波形钢腹板桥梁设计提供一定的参考价值。

1 工程背景

本文以安徽省芜湖市裕溪河大桥为背景，裕溪河大桥为波形钢腹板四跨连续梁，主桥跨径布置为55m+93m+83m+55m=286m，单幅桥宽21.25m，主梁跨中标准横断面顶板厚0.28m，底板厚0.25m，箱室宽度为4.75m。主梁采用双幅单箱三室波形钢腹板箱梁，混凝土采用C50，主梁跨中梁高为2.7m，中支点（P23）梁高5.5m，大跨侧次中支点（P22）梁高为5.5m，小跨径侧次中支点（P24）梁高为4.9m，边支点梁高为2.7m。中支点附近4.75m范围内波形钢腹板设置里衬混凝土，里衬混凝土厚度边腹板0.25～0.6m，中腹板0.5～0.6m。主桥中横梁厚度为2.5m，横梁上部由于体外预应力锚固以及转向的需求，横梁上部局部加厚至3.5m。主桥总体布置图、标准断面和中横梁构造图如图1～图4所示。

2 有限元模型建立及工况

波形钢腹板连续梁的中横梁的力学状况较复杂，涉及截面开洞后的应力重分布状态和预应力的影响，而且横梁受到与其相连的箱梁的约束,在荷载的作用下,通常的平截面假定和杆系简化分析不再适用，因此采用了三维有限元通用软件MIDASFEA进行建模分析，对结构受力状态精确模拟。

波形钢腹板的顶板、腹板及底板三者的剪力分配比例，会影响横梁顶缘底缘的剪力分布，目前对波形钢腹板截面剪力分配比例没有明确的计算方法，为了准确模拟波形钢腹板和横梁的传力关系，本次分析选取P23墩中横梁计算，并将建模长度取值到合拢段，即最大悬臂阶段，P23墩两侧各46.5m。

在有限元模拟时，假设波形钢腹板与混凝土顶、底板完全连接，不产生相对滑移或剪切破坏。采用实体单元模拟混凝土，板单元模拟波形钢腹板，体内预应力采用钢筋单元模拟，体外预应力采用静力荷载等效模拟。板单元与实体单元通过“印刻”功能实现节点耦合。边界条件是在横梁底部的支座固结。为保证计算精度，在靠近横梁段和横梁段，网格加密。计算模型如图5所示。

模型分多种工况计算中横梁，具体工况设置见表1，均为线弹性分析。计算后，提取的分析结果为中横梁横向应力和竖向应力。

图1 总体布置图（单位：cm）

图2 主梁标准断面（单位：cm）

图3 中横梁(P23)立面（单位：cm）

图4 中横梁(P23)断面（单位：cm）

图5 三维实体模型

3 横梁横向应力分析

工况8（组合工况）下，横梁的横向应力图如图6所示。可以看出横梁呈现的最大横向压应力为14.1MPa，出现在横向钢束及体外束的锚垫板位置，可知是锚具周边导致的局部压应力。横梁最大横向拉应力约1.08MPa，出现在人孔附近（图6箭头所指位置），将此处的拉应力分项查看，各种荷载所占比例如图7所示。

从图7可以看出，各个荷载在人孔附近的区域产生的应力各有不同，影响应力幅值较大的工况有以下两类：

表1 计算工况

图6 中横梁横向应力（工况8组合工况）

图7 各个工况横向应力图（受拉为正，受压为负）

（1）由于设置了横向预应力，会在横梁中产生1.2MPa左右的压应力（工况5），抵消了大部分横向拉应力。

（2）自重和二期恒载（工况1、2）是横向拉应力的主要原因。从传力途径和局部应力集中两个角度分析，人孔附近横向拉应力产生的原因可能有两个：支座导致的支座上方的拉应力和人孔的局部削弱导致的应力集中。接下来以自重工况为例，详细分析下人孔和支座对横梁的影响。建立了如下3个模型，图8a为原模型（含有人孔），图8b为对照模型1（无人孔），图8c为对照模型2（单支座）。

图8 3个模型

对比图8a和图8b可以看出：对照模型1和原模型的差别在于，对照模型1填充了人孔，原模型边人孔附近拉应力为1.53MPa，而对照模型中相同位置拉应力还有1.0MPa左右，人孔影响幅度仅占约30%，可见人孔对截面削弱不是导致应力集中的首要因素。

对比图8a和图8c可以看出：对照模型1和对照模型2的差别在于两个模型均设置了人孔，支座数目不同，当支座数目从双支座变为单支座后，应力集中区域迅速发生了变化，但始终保持在支座上方区域，支座位置决定了应力集中出现位置。

综上，经过本章多个模型的对比和验证，可以看出横梁横向应力分布有如下特点：由于腹板对横梁的下压和支座的支撑作用，会导致横梁顶板和人孔附近区域出现横桥向的拉应力集中，在设置了横向预应力后会抵消部分拉应力。

4 横梁竖向应力分析

工况8（组合工况）下，横梁的竖向应力图如图9所示。可以看出横梁呈现的最大竖向压应力10.8MPa，出现在体外束的锚垫板位置，可知是锚具周边导致的局部压应力。横梁最大竖向拉应力约1.85MPa，出现在中人孔附近，将此处的拉应力分项查看，各种荷载所占比例如图10所示。

图9 中横梁竖向应力（工况8组合工况）

图10 各个工况横向应力图（受拉为正，受压为负）

从图10可以看出，各个荷载在人孔附近的区域产生的应力各有不同，影响应力幅值较大的工况有以下两类：

（1）设置的竖向预应力，会在横梁产生了1.71MPa左右的压应力储备（工况6）。

（2）自重、二期和横梁横向预应力（工况1、2、5）是竖向拉应力的主要原因。横向预应力作用下，人洞呈现挤压状态，会在人洞两侧出现竖向拉应力。自重、二期产生的拉应力，以自重工况为例，从人孔和支座两个角度分析对竖向拉应力的影响。建立了如下3个模型，图11a为原模型（含有人孔），图11b为对照模型1（无人孔），图11c为对照模型2（单支座）。

对比图11a和图11b可以看出：对照模型1和原模型的差别在于，对照模型1填充了人孔后，应力集中并没有消失，依然在中箱室的底缘附近，人孔和应力集中之间没有必然的联系。

对比图11a和图11c可以看出：对照模型1和对照模型2的差别在于两个模型均设置了人孔，支座数目不同，当支座数目从双支座变为单支座后，应力集中区域迅速发生了变化，随着支座位置移动，应力集中区域跟随移动，可见支座位置影响应力集中出现位置。

图12 为标准段和横梁交界面的剪力分配比例，从图中可以看出：截面的剪力主要是通过腹板和底板传递，其中4道腹板传递了60%，底板传递37%。横梁的受力会呈现图13所示的模式，截面大部分竖向剪力在截面腹板及底板区域，此时腹板和底板围绕的箱室内部区域会呈现下拉的变形，而边箱下方的支座位置会限制下拉的变形，因此边箱内部没有竖向拉应力，中箱内部则会出现竖向拉应力。若改成图11c的单支座模型，则中箱下方的支座限制下拉的变形，所以竖向拉应力会出现在边箱内部。

综上，经过本章多个模型的对比和验证，可以看出横梁竖向应力分布有如下特点：由于截面腹板及底板区域传递了截面大部分剪力，箱室内部会呈现下拉的变形，若没有箱式下方支座支撑，则这种下拉变形导致的竖向拉力无法抵消，这才是导致竖向拉力的根本原因。设计中可以通过设置横梁竖向预应力，大幅度减小竖向拉应力的产生。