腹板幾何參數(shù)變化對(duì)波紋鋼腹板箱梁橋的力學(xué)影響

盧蘭萍，韓亞杰，李澎濤

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

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腹板幾何參數(shù)變化對(duì)波紋鋼腹板箱梁橋的力學(xué)影響

盧蘭萍，韓亞杰，李澎濤

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

以邢衡高速公路邢臺(tái)段上一座波紋鋼腹板組合箱梁橋(50m+80m+50m)為工程實(shí)例，通過有限元軟件Midas建立波紋鋼腹板組合箱梁橋空間模型。分析了鋼腹板幾何參數(shù)變化下的箱梁基本力學(xué)特性，結(jié)果顯示：箱梁撓度受腹板幾何參數(shù)變化的影響很小；減小腹板直線段長(zhǎng)度b對(duì)箱梁有利；波紋鋼腹板相對(duì)于平板鋼腹板可以明顯提高箱梁抗扭剛度，彎折角越大，箱梁抗扭剛度越大；增加腹板厚度t可以改善箱梁受力性能。

組合箱梁；波紋鋼腹板；力學(xué)特性；有限元分析

波紋鋼腹板組合箱梁橋是在20世紀(jì)80年代興起的一種新型的結(jié)構(gòu)組合形式[1-2]。區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土組合箱梁，其創(chuàng)新處在于充分結(jié)合鋼材與混凝土兩種材料的特性，用波紋鋼板來替代傳統(tǒng)的混凝土腹板，這種結(jié)構(gòu)因其可以減輕自重、提高預(yù)應(yīng)力使用率、改善抗震性能、加快施工進(jìn)度、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性能等特點(diǎn)，成為世界范圍內(nèi)橋梁工作人員研究的熱點(diǎn)之一。但這種新型橋梁在我國的應(yīng)用相對(duì)較少，且目前我國現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中還未形成完善的波形鋼腹板組合箱梁設(shè)計(jì)方法。本文在現(xiàn)行研究的基礎(chǔ)上以實(shí)橋?yàn)槔?，分析鋼腹板幾何參?shù)變化下的箱梁基本力學(xué)特性，為今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，以期起到積極的推廣作用。

1 有限元模型的建立[3-5]

1.1 橋梁概括

該橋?yàn)橐蛔凡ㄐ武摳拱褰M合箱梁橋。跨徑布置分別為50、80、50m；單箱單室；變截面；截面高度、底厚度由根部向跨中成拋物線式變化。跨中截面梁高2.7m，頂寬14m，底寬8m，頂厚0.18m，底厚0.2m，箱梁懸臂3m，懸臂端厚0.5m(圖1)。采用體內(nèi)與體外相結(jié)合的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，懸臂頂板束、頂板合龍束及底板合龍束均采用19-φs15.2體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用OVM.S6 19-φs15.2類型鋼絞線。采用“T-PBL”連接件、焊釘連接件。為提高橫向抗變形能力，且達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，每跨設(shè)3道橫隔板，用螺栓與腹板連接。

1.2模型建立

計(jì)算模型取組合箱梁上部結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件Midas/Civil建立空間模型。箱梁截面采用Midas/Civil設(shè)計(jì)截面“鋼腹板箱梁”模擬。支座采用彈性連接模擬。整個(gè)模型總共劃分73個(gè)節(jié)點(diǎn)、58個(gè)單元。其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。

1.3 荷載取值

永久作用：鋼筋混凝土橋面自重25kN/m3；鋼材容重78.5kN/m3；橋面鋪裝取0.1m厚瀝青混凝土，容重24kN/m3；考慮防撞欄桿取值9kN/m；考慮混凝土收縮、徐變，其值參查規(guī)范JTGD62-2004，相對(duì)濕度取80%；支座不均勻沉降為5mm。

可變作用：車道荷載取1.3倍公路-I級(jí)荷載， 3車道，綜合考慮各種不利情況，偏載系數(shù)取1.15。橋梁梯度溫度模式查規(guī)范JTGD60-2004第4.3.10條計(jì)算。

2 腹板幾何參數(shù)對(duì)箱梁力學(xué)性能影響[6-7]

波紋鋼腹板的幾何構(gòu)造在很大程度上影響著箱梁的整體受力性能，其腹板幾何形狀見圖3。其中，b表示直線段長(zhǎng)度、c表示斜坡段長(zhǎng)度、h表示波高、d表示投影尺寸、t表示腹板厚度、表示彎折角。調(diào)查顯示，國內(nèi)外在加工生產(chǎn)波形剛腹板的過程中，為了滿足規(guī)劃生產(chǎn)，通常限定波形腹板每一子板的寬度，即b=c，因而滿足d=bcosθ、h=bsinθ，故真正的變量只有三個(gè)，即t、b和θ。

2. 1 直線段長(zhǎng)度的影響

在波紋鋼腹板空間有限元模型中控制腹板彎折角θ=37°、波高h(yuǎn)=150mm、板厚t=8mm不變，直板段長(zhǎng)度b以此取150、250、350、450、550mm建立有限計(jì)算模型，分析在荷載作用下直板段長(zhǎng)度變化下箱梁的受力性能。其箱梁跨中撓度、頂，底板正應(yīng)力、腹板剪應(yīng)力的變化規(guī)律分析結(jié)果繪成表格1顯示如下：

表1鋼腹板直板段長(zhǎng)度b變化對(duì)箱梁力學(xué)性能的影響

由數(shù)據(jù)分析可知，隨著腹板直線段長(zhǎng)度b的增加，組合箱梁跨中撓度增大，但增大幅度較小，且均小于規(guī)范值。箱梁跨中頂、底板正應(yīng)力都有增大趨勢(shì)，其中頂板壓應(yīng)力增幅較小，均小于混凝土抗壓強(qiáng)度值23.1MPa。而底板拉應(yīng)力從11.4MPa增大為14.1MPa，增大24%，腹板剪應(yīng)力從36.48MPa增大為43.12MPa，增大18%，幅度較明顯，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

2.2 彎折角θ的影響

在波紋鋼腹板空間有限元模型中控制腹板直線段b=250mm、波高h(yuǎn)=150mm、板厚t=8mm不變，腹板彎折角θ依次取0°、10°、20°、30°、40°、50°建立計(jì)算模型，分析在荷載作用下，腹板彎折角變化對(duì)箱梁力性能的影響。其箱梁跨中撓度、頂，底板正應(yīng)力、腹板剪應(yīng)力的變化規(guī)律分析結(jié)果繪成表格2顯示如下：

表2腹板彎折角變化對(duì)箱梁力學(xué)性能的影響

表3鋼腹板厚度t變化對(duì)箱梁力學(xué)性能的影響

由數(shù)據(jù)分析可知，隨著鋼腹板彎折角θ的增大，箱梁跨中撓度增大，但增大幅度很小，且均小于規(guī)范值。箱梁跨中頂、底板正應(yīng)力都有減小趨勢(shì)，其中頂板壓應(yīng)力變化不大，小于設(shè)計(jì)值；底板拉應(yīng)力從14.10MPa減小為10.32MPa，減小了27%；鋼腹板剪應(yīng)力在彎折角θ=0°時(shí)最小，說明波形鋼腹板的抗剪承載力要比平鋼板大；而當(dāng)彎折角θ從10°大到50°時(shí)，隨著彎折角θ的增大腹板剪應(yīng)力逐漸從41.79MPa減小到35.49MPa，減小了15%，說明在一定范圍內(nèi)增大腹板彎折角對(duì)腹板抗剪有一定幫助，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

2.3腹板厚度t的影響

在波紋鋼腹板空間有限元模型中控制腹板直線段b=250mm、波高h(yuǎn)=150mm、彎折角θ=37°不變，而腹板厚度t依次取4，5，6，8，10，12，15，20mm建立計(jì)算模型。分析在荷載作用下，腹板厚度t變化下的箱梁受力性能。其箱梁跨中撓度、頂，底板正應(yīng)力、腹板剪應(yīng)力的變化規(guī)律分析結(jié)果繪成表格3顯示如下：

由數(shù)據(jù)分析可知，隨著腹板厚度t從4mm增大到20mm時(shí)，箱梁跨中撓度減小，但幅度不大。箱梁跨中頂、底板正應(yīng)力都有減小趨勢(shì)，其中頂板壓應(yīng)力變化較小，底板拉應(yīng)力從12.42MPa減小為7.61MPa，減小了38.7%；腹板剪應(yīng)力從46.78MPa減小為23.22MPa，減小了50.3%，由此可見，腹板厚度t的增大可以顯著改善箱梁的受力性能，在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)加大厚度。

2.4腹板幾何參數(shù)的抗扭性能分析

在箱梁整體模型中施加偏心荷載，在扭矩的作用下箱梁將發(fā)生扭轉(zhuǎn)。通過計(jì)算分析，記錄箱梁斷面在縱軸方向的扭轉(zhuǎn)角，該記錄值取箱梁跨中頂、底板扭轉(zhuǎn)角平均值。計(jì)算結(jié)果見表4、5。

表4 直線段 b變化下跨中斷面扭轉(zhuǎn)角

表5 彎折角θ變化下跨中斷面扭轉(zhuǎn)角

扭轉(zhuǎn)角從側(cè)面代表了箱梁抗扭剛度，由分析數(shù)據(jù)可知同等條件下，當(dāng)直線段長(zhǎng)度b增加時(shí)，扭轉(zhuǎn)角變大，說明箱梁抗扭剛度降低。當(dāng)腹板彎折角θ增大時(shí)扭轉(zhuǎn)角減小，且θ=0°扭轉(zhuǎn)角明顯大于其他組合，說明波紋剛腹板相對(duì)于平板剛腹板可以明顯提高箱梁抗扭剛度。即減小直線段長(zhǎng)度b，增大彎折角θ，可使腹板螺紋越緊密，箱梁抗扭剛度越大，對(duì)橋梁越有利。

3 結(jié)論

1) 箱梁撓度受腹板幾何參數(shù)變化的影響很小。

2) 直線段長(zhǎng)度b增加，扭轉(zhuǎn)角增大，抗扭剛度降低，頂板和底板正應(yīng)力、腹板剪

應(yīng)力增大，減小直線段長(zhǎng)度b對(duì)箱梁有利。

3) 波紋鋼腹板相對(duì)于平板鋼腹板可以明顯提高箱梁抗扭剛度，彎折角θ增大，頂板和底板正應(yīng)力、腹板剪應(yīng)力減小，增大θ角對(duì)箱梁有利。

4) 增加腹板厚度t可以改善箱梁受力性能，但是會(huì)增加箱梁造價(jià)。在經(jīng)濟(jì)允許下，可適當(dāng)增大腹板厚度。

[1]陳寶春,黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應(yīng)用綜述 [J].公路,2005,7(7)：45-53.

[2]李淑琴,萬 水,張長(zhǎng)青.波形鋼腹板設(shè)計(jì)與制造[M].北京:人民交通出版社,2011.

[3]邱順冬.橋梁工程軟件 Midas Civil 應(yīng)用工程實(shí)例[M].北京:人民交通出版社,2011.

[4]徐 岳，朱萬勇，楊 岳.波形鋼腹板 PC 組合箱梁橋抗彎承載力計(jì)算[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(2)：60-64.

[5]JTG D60一2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[6]龐 凡.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁力學(xué)性能分析研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2010：12-35.

[7]徐 強(qiáng).波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力 RPC 組合箱梁力學(xué)性能研究 [D].北京: 北京交通大學(xué),2011: 1-23.

(責(zé)任編輯李軍)

Mechanicsgeometricparametersontheimpactofthewebofcorrugatedsteelboxgirderbridge

LULanping,HANYajie,LIPengtao

(1.CollegeofCivilEngineering，HebeiUniversityofEngineering，HebeiHandan056038，China)

Inthispaper,theripplewebcompositeboxgirderbridge(50m+ 80m+ 50m)ofXingtaiXingHenghighwaysegmentwasregardedasanengineeringexample,themodelofripplewebcompositeBoxGirderBridgewasestablishedbythefiniteelementsoftwareMidas.Thebasicmechanicalpropertiesofboxgirderofdifferentgeometricalparametersonrigidwebwereanalyzed,theresultsshowthatthedeflectionofboxgirderisverysmallduetothevariationofgeometricparametersoftheweb.Besides,itisfavorabletoreducethelengthofstraightlinesegment.Theresultsalsoshowthatthetorsionalstiffnessoftheboxgirdercanbeincreasedobviouslywiththecorrugatedwebrelativetotheflatwebplate,andthegreaterthebendangle,thegreaterthetorsionalrigidityofboxgirder.Additionally,theincreasingofthethicknessofthewebcanimprovetheperformanceofboxgirder.

combinationboxbeam;corrugatedsteelwebs;mechanicalproperties;finiteelementanalysis

2015-12-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508150)特約專稿

盧蘭萍(1964-)，女，河北邯鄲人，碩士，教授，從事交通專業(yè)教學(xué)、科研和設(shè)計(jì)方面的研究。

1673-9469(2016)02-0060-03doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.013

TG333.17

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