波形钢腹板箱梁桥静力性能研究

吴 帅

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

现代桥梁中，预应力钢筋混凝土箱梁桥是目前最常见、应用最广泛的一种桥梁形式。但随着桥梁跨越能力的提升，桥梁的跨径逐渐增大，上部结构的重量也在迅速增大[1]。在大跨径桥梁中，桥梁的自重荷载过大对桥梁自身内力造成一定的影响[2-5]。为减轻桥梁自重，提升桥梁的跨越能力，各国桥梁专家进行了较为丰富的理论分析与试验研究，并提出了一种改变传统箱梁桥结构形式的方法[6-7]。采用一种沿纵桥向呈褶皱状的钢腹板替代传统的混凝土腹板，并在预应力技术上创新性的采用体内预应力技术与体外预应力技术相结合的形式，形成了一种新型的钢- 混凝土组合结构，波形钢腹板箱梁桥应运而生[8-9]，其构造示意见图1。

图1 波形钢腹板箱梁的构造示意

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型

依托伊朗德黑兰北部高速公路BR-06L/R 特大桥为工程实例，主桥上部结构采用波形钢腹板预应力混凝土连续梁，跨径布置为83 m+153 m+83 m，中跨比0.542。主桥横桥向采用双幅桥布置，单幅桥面宽13.1 m。

利用Midas/Civil 对全桥进行静力性能分析，桥梁主梁采用了Midas/Civil 中的梁单元来模拟，由于桥梁上部结构箱梁是由混凝土顶、底板与波形钢腹板组合而成，为组合结构，梁截面采用Midas/Civil 中钢腹板箱梁设计截面CPMW 进行模拟，全桥模型见图2。

图2 全桥有限元计算模型

1.2 对比模型

波形钢腹板箱梁桥是在传统预应力混凝土箱梁桥桥型的基础上发展而来的，为了能够更好的了解波形钢腹板箱梁桥的静力性能，需要建立一个与之相对应的混凝土箱梁桥模型，作为对比模型进行研究。

波形钢腹板箱梁桥与预应力混凝土箱梁桥最大的区别在于腹板结构材料的不同，在传统混凝土箱梁桥中，腹板主要承受剪力，因此在做对比模型时，需要将波形钢腹板替换为一定厚度的混凝土。混凝土厚度将按等效法：混凝土腹板所能承受与波形钢腹板承受相同的剪力，主梁跨径和箱梁构造与波形钢腹板箱梁桥保持一致。混凝土箱梁桥有限元模型见图3。

图3 混凝土箱梁桥有限元计算模型

2 静力性能分析

2.1 内力分析

2.1.1 最大悬臂状态内力分析

随着波形钢腹板主梁节段的增加，桥墩支点两侧悬臂段越来越长，当达到最大悬臂状态时，桥梁结构处于最危险状态，因此需要对其进行内力分析。这里研究两对比模型最大悬臂状态在恒荷载作用下的静力性能。

由钢腹板桥与混凝土桥内力结果可知，在恒荷载作用下，钢腹板桥与混凝土桥内力分布规律趋于一致，其中选取3 处典型截面内力结果：边跨1/2 处、中支点处和中跨1/4 处，制成内力结果比对表，见表1。

表1 恒载作用下内力结果比对

由内力结果比对可知，混凝土桥的内力结果均大于钢腹板桥。其中混凝土桥边跨1/2 处剪力值大于钢腹板桥24.92%，弯矩值大于钢腹板桥25.55%；中支点处剪力值大于钢腹板桥17.2%，弯矩值大于钢腹板桥22.7%；中跨1/4 处剪力值大于钢腹板桥25.7%，弯矩值大于钢腹板桥27.3%。由此可知，在最大悬臂状态下，波形钢腹板箱梁桥整体内力均小于传统预应力混凝土箱梁桥，分析认为二者内力上的差异主要是由主梁结构形式的不同导致的。因波形钢腹板与混凝土的组合，二者在箱梁受力时分工明确，充分发挥了各自的优势，因此主梁在整体受力上更加合理。

2.1.2 移动荷载内力分析

由计算分析可得，在移动荷载作用下，钢腹板桥与混凝土桥内力分布规律趋于一致，其中选取2处典型截面内力结果：边跨1/2 处与中支点处，制成内力结果比对表，见表2。

表 2 移动荷载作用下内力结果比对

由内力结果比对表可知，在移动荷载作用下波形钢腹板桥的内力与混凝土桥的内力在结果上相差不大，作用效应基本一致。其中钢腹板桥边跨1/2 处剪力值大于混凝土桥0.8%，弯矩值小于混凝土桥7.1%；钢腹板桥中支点处剪力值小于混凝土桥0.01%，弯矩值大于混凝土桥0.9%。分析认为波形钢腹板箱梁桥与混凝土箱梁桥在结构形式上仅在腹板处有所不同，混凝土顶、底板一致，而弯矩主要有顶、底板来承担，因此二者在抗弯刚度上没有很大的差异。同时也说明波形钢腹板箱梁桥在抗弯刚度与混凝土箱梁桥基本一致的情况下，能够有效减轻桥梁上部结构的自重。

2.2 应力分析

选取荷载工况：恒荷载+ 预应力荷载+ 收缩徐变+ 汽车荷载+ 人群荷载，探究在该荷载组合作用下钢腹板桥与混凝土桥应力情况。其中钢腹板桥主梁上缘、下缘应力见图4、图5；混凝土桥主梁上缘、下缘应力见图6、图7。

图4 钢腹板桥主梁上缘应力/MPa

图5 钢腹板桥主梁下缘应力/MPa

图6 混凝土桥主梁上缘应力/MPa

图7 混凝土桥主梁下缘应力/MPa

由主梁应力结果可知，在荷载组合工况下，钢腹板桥主梁应力均大于混凝土桥主梁应力。钢腹板桥主梁上下缘均未出现拉应力，其中最大压应力为13.3 MPa，混凝土桥主梁上下缘出现微小拉应力，应力值0.75 MPa，但在允许范围之内，最大压应力为13.9 MPa。钢腹板桥与混凝土桥上缘最大应力值均出现在中跨跨中处，但钢腹板桥应力变化相比较混凝土桥应力变化较为平缓，且在整体上钢腹板桥的下缘应力略大于混凝土桥下缘应力；钢腹板桥与混凝土桥下缘应力分布有所不同，钢腹板桥中最大应力值出现在两边跨靠近跨中处，混凝土桥中最大应力值出现在主梁中支点处。

2.3 挠度分析

挠度是反映桥梁刚度的重要指标之一。在桥梁施工控制与后期运营阶段中，挠度控制都起着不可忽视的作用。相比较预应力混凝土箱梁桥，波形钢腹板箱梁桥腹板更加轻薄，二者在主梁刚度上必然会存在差异，针对前面两模型在不同荷载工况下进行挠度分析。钢腹板桥与混凝土桥在不同荷载作用下主梁挠度对比见图8，荷载组合同上节。

图8 不同荷载作用下主梁挠度对比

由图8 可知，在自重荷载作用下，钢腹板桥主梁挠度均大于混凝土桥，挠度峰值前者大于后者约13%。在预应力荷载作用下，钢腹板桥主梁预拱值也均大于混凝土桥，预拱峰值前者大于后者约24%。在荷载组合作用下，钢腹板桥主梁挠度也均大于混凝土桥，挠度峰值前者大于后者约15%。

综上分析可知，波形钢腹板箱梁桥整体刚度小于预应力混凝土箱梁桥。主要原因是波形钢腹板在纵桥向呈“褶皱”状，由于波形钢腹板的抗剪刚度相比传统钢板的剪切模量进行了一定折减，对于波形钢腹板箱梁桥这种新型结构，波形钢腹板主要承担剪力。混凝土顶、底板对抗剪的贡献比较小，剪应力会使波形钢腹板产生一定的剪切变形，对箱梁的挠度产生较大的影响，所以在相同荷载作用下，波形钢腹板箱梁桥的整体挠度会大于混凝土箱梁桥。

3 结语

通过有限元分析软件Midas/Civil 对伊朗德黑兰特大桥展开了静力性能分析，主要得出以下结论：（1）内力分析方面，波形钢腹板箱梁桥整体结构内力均小于预应力混凝土箱梁桥。主要原因是波形钢腹板箱梁桥采用钢腹板替代了传统混凝土腹板，使桥梁上部结构自重更小，因此在不同荷载工况下，波形钢腹板箱梁桥整体所受的内力有所减小。（2）应力分析方面，在荷载组合工况下，波形钢腹板箱梁桥主梁应力均大于预应力混凝土箱梁桥主梁应力。主要原因是波形钢腹板在箱梁中只承担剪力，而混凝土顶、底板主要承担弯矩，所以混凝土顶、底板相比较钢腹板需要承担更多的应力。但波形钢腹板箱梁桥的主梁应力相比较混凝土箱梁桥的主梁应力变化更为平缓。（3）挠度分析方面，波形钢腹板箱梁桥整体刚度较预应力混凝土箱梁桥更小，且在不同荷载工况下的挠度更大。主要是因为波形钢腹板在箱梁中承担剪力，而波形钢腹板产生的剪切变形会对主梁整体的挠度产生较大的影响，所以在今后的实际工程应用中，不可忽略波形钢腹板的剪切变形对主梁整体挠度的影响。