波形钢腹板PC连续刚桥和PC连续刚构桥受力性能分析

2021-02-11卢伟荣付清华马光花

科技资讯 2021年34期

卢伟荣付清华马光花

摘要： PC连续刚构桥的箱梁腹板用波形钢板替代，形成一种新型组合结构，利用波形钢腹板能够较好地弥补预应力混凝土连续刚构桥受力的不足。根据国内外研究资料，利用有限元软件从静力性能和动力特性两个方面比较分析了波形钢腹板PC连续刚桥（SPC）与普通PC连续刚构桥（PC）的受力性能，探讨波形钢腹板PC连续刚桥设计中的优势具有比较大的实际意义，能够为该类桥在国内的工程应用提供参考。

关键词：波形钢腹板 PC连续刚构桥有限元受力性能分析

中图分类号：U443 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Analysis on Mechanical Properties of PC Continuous Rigid Bridge and PC Continuous Rigid Frame Bridge with Corrugated Steel Webs

LU Weirong FU Qinghua MA Guanghua

（Gansu Vocational and Technical College of Communications，Lanzhou，Gansu Province，730070 China）

Abstract：The box girder web of PC continuous rigid frame bridge is replaced by corrugated steel plate to form a new composite structure. The corrugated steel web can make up for the lack of stress of prestressed concrete continuous rigid frame bridge. According to the research data at home and abroad， the mechanical properties of PC continuous rigid bridge with corrugated steel web （SPC） and ordinary PC continuous rigid frame bridge （PC） are compared and analyzed by using finite element software from two aspects of static performance and dynamic characteristics. It is of great practical significance to discuss the advantages of PC continuous rigid bridge with corrugated steel web in design. It can provide reference for the engineering application of this kind of bridge in China.

Key Words：Corrugated steel web;PC continuous rigid frame bridge;The finite element;Mechanical behavior analysis

普通箱梁的钢筋混凝土腹板用8～25 mm的波形钢板替代，形成波形钢腹板PC组合箱梁。这种组合箱梁的钢腹板以受剪为主，箱梁的混凝土底、顶板以受弯为主，充分发挥了钢板抗剪、混凝土抗压的材料特性，使材料的使用效率得到了提高，主梁轻型化的目标能够有效地实现，并且使桥下的工程量和费用进一步减小，因此这种新型组合结构在桥梁方面有着非常好的应用前景[1-2]。

波形钢腹板的研究主要集中在抗弯、抗剪、抗扭、畸变以及参数设计、屈曲特性、抗剪连接分析、桥面板的有效分布宽度、剪力滞效应等方面，在大跨度波形钢腹PC连续刚构桥的受力性能方面研究很少。該文依托某座在建的波形钢腹板PC连续刚构桥，利用限元软件通过比较波形钢腹板PC连续刚桥和PC连续刚构桥的受力，分析了它的受力性能。

1 波形钢腹板PC连续刚桥和PC连续刚构桥静力性能分析

1.1 工程概况

某高速公路在建大桥为五跨（58+3×100+58）波形钢腹板PC连续刚构桥，总长425 m，桥面宽度：2×（0.5+10.75+0.75）m，桥面横坡为双向2%，纵断面纵坡1.29%，墩台径向布置。

1.2PC连续刚桥有限元模型

对桥梁进行空间结构分析，有限元法根据不同类型的单元及其组合，结合各种边界条件和要求，构建各种结构体系桥梁并模拟分析相应的荷载工况。

利用MIDAS软件建立有限元模型，对桥梁结构进行仿真分析。桥墩、主梁采用空间变截面梁单元模拟，同时考虑梁体剪切变形，每个节点6个自由度。连续刚构桥的MIDAS模型划分为382个单元、388个节点。

1.3波形钢腹板和普通腹板连续刚构桥有限元计算

1.3.1两种结构在各个工况下的计算结果分析

根据主梁设计断面尺寸计算自重，混凝土容重取26.0 kN/m3。波形钢腹板组合箱梁预应力张拉时，体内钢束损失应力15%，控制应力1395 MPa;体外钢束损失应力10%，控制应力1 116 MPa。公路一级荷载。

波形钢腹板连续刚构桥的纵向位移主要由系统温度变化产生。结构计算中必须考虑梯度温差产生的温度应力，因为它可能达到甚至超出活载内力。根据《公路桥涵设计通用规范》第4.3.10条计算温度力，铺装层沥青混凝厚度取l00 mm，梁顶面降温5 ℃，升温温差10 ℃。定义4种荷载工况来比较分析在静力状态下两种结构的力学性能，具体见表1。

表1 各工况的荷载组合

工况I （成桥状态）

工况II（基本组合）

工况III（短期效应组合）工况IV （长期效应组合）

1.2自重+1.2二期恒载+1.2预应力 1.2自重+1.2二期恒载+1.2预应力+1.12梯度温度+1.4车道荷载自重十二期恒载+预应力+0.8梯度温度+0.7车道荷载自重十二期恒载+预应力+0.8梯度温度+0.4车道荷载

用SPC代表波形钢腹板PC连续刚构桥;用PC代表普通PC连续刚构桥。

（1）SPC和PC在各工况下轴向变形计算。

通过分析比较两种不同腹板连续刚构桥在4种荷载工况下的轴向变形数据见图1～图4，发现SPC连续刚构桥的轴向变形远大于PC连续刚构。仿真分析结果和理论计算结果一致，这是由于折叠状波形钢腹板弹性模量EX比钢板弹性模量E0底造成的，EX是E0的几千分之一到几百分之一[3]。试验和理论分析结果一致，钢腹板基本上不能抵抗轴向力。所以，设计上可以认为腹板不承受轴向力而轴向力仅由上、下混凝土板承担[3]。

（2）SPC和PC在各工况下位移计算。

波形钢腹板连续刚构桥中跨跨中的竖向挠度分别为4.05 cm、5.25 cm、4.76 cm、4.73 cm;PC连续刚构桥为3.15 cm、3.98 cm、3.66 cm、3.62 cm。通过分析比较两种不同腹板连续刚构桥在4种相同荷载工况下的位移计算结果，发现支座处的竖向挠度大小很接近，跨中方向SPC连续刚构桥的竖向挠度明显变大。这是由于波形钢腹板的褶皱具有三维柔性，使其不具备抗弯能力 [4]。在外荷载作用下，波形钢腹板对主梁抗弯几乎不起作用，抗弯能力主要由组合箱梁上下混凝土板提供[5]。

2 波形钢腹板和普通腹板連续刚构桥的动力特性分析

桥梁结构的自振特性分析、外力强迫振动是动力学分析的主要内容。固有频率与振型分析就是自振特性分析 [6]。

波形钢腹板PC连续刚构桥的动力特性计算采用Lanczos向量直接迭代法。

2.1两种结构的动力特性分析

2.1.1 自振特性对比

为了具有可比性，采用MIDAS建立相同跨度和尺寸的PC连续刚构桥空间有限元模型。在有限元模型中采用考虑梁体剪切变形的空间变截面梁单元模拟桥墩、主梁。建模时采用实际结构的具体尺寸和形状。

2.1.2 自振特性分析

用SPC代表波形钢腹板PC连续刚构桥;用PC代表PC连续刚构桥。两种结构的动力特性采用子空间迭代法分别计算。 [7-8]，两种结构前20阶自振频率的对比分析结果，具体见图5。

3结论

该文利用有限元软件MIDAS从静力性能和动力特性两个方面比较分析了波形钢腹板PC连续刚桥（SPC）与普通PC连续刚构桥（PC）的受力性能，得到如下结论。

（1）通过两种结构在不同荷载工况下的轴向变形计算分析，发现SPC连续刚构桥的轴向变形远大于PC连续刚构。理论分析结论和实际计算结果一致，钢腹板基本上不能抵抗轴向力。所以，设计上可以认为腹板不承受轴向力而轴向力仅由上、下混凝土板承担。

（2）通过分析比较两种不同腹板连续刚构桥在4种相同荷载工况下的位移计算结果，发现支座处的竖向挠度大小很接近，跨中方向SPC连续刚构桥的竖向挠度明显变大。这是由于波形钢腹板的褶皱具有三维柔性，使其不具备抗弯能力。在波形钢腹板组合桥设计时，可以忽略波形钢腹板的抗弯作用。