波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋有限元靜力驗(yàn)算

盧蘭萍，李澎濤，韓亞杰，陳 林

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

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波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋有限元靜力驗(yàn)算

盧蘭萍，李澎濤，韓亞杰，陳 林

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

以已建成的某波形鋼腹板PC組合三跨(50 m+80 m+50 m)連續(xù)箱梁橋?yàn)閷?shí)例，按照該橋的運(yùn)營(yíng)情況，采用Midas/Civil軟件建模及有限元分析，檢驗(yàn)和復(fù)核這種橋型結(jié)構(gòu)在三種最不利效應(yīng)組合(短期效應(yīng)組合、標(biāo)準(zhǔn)值組合和承載能力極限狀態(tài)基本組合)下的抗彎、抗剪、抗裂、撓度以及腹板的強(qiáng)度變化情況。結(jié)果表明其有限元模型在三種最不利荷載組合下，結(jié)構(gòu)能夠很好的滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)文件的要求。

波形鋼腹板；組合箱梁；Midas/Civil；靜力驗(yàn)算

波形鋼腹板PC組合箱梁橋是一種符合可持續(xù)理念的新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁形式[1-2]。然而我國(guó)對(duì)此類橋梁的認(rèn)識(shí)和研究起步較晚，還主要停留在理論設(shè)計(jì)方面，對(duì)成橋后的實(shí)例進(jìn)行靜力驗(yàn)算很少。本文以正在運(yùn)營(yíng)的某三跨(50 m+80 m+50 m)波形鋼腹板PC組合箱梁橋?yàn)閷?shí)例，利用Midas/Civil有限元軟件，建立三維實(shí)體的有限元模型，通過(guò)對(duì)軟件的運(yùn)行分析，檢驗(yàn)和校核該橋的設(shè)計(jì)是否滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

1　橋梁概況

箱梁橫向截面采用單室單箱結(jié)構(gòu)形式，縱向立面則采用梁高和底板厚均按二次拋物線形狀的布置方式，其中橋面寬14.012m，底板寬7.5m，懸臂長(zhǎng)3.006 m，懸臂端厚0.2m，根部厚0.6 m，跨中和根部梁高分別為2.7 m和5.0 m，底板厚度分別為0.3m和0.7 m；波形鋼腹板波紋高度設(shè)計(jì)為0.22m，水平面板寬為0.43m，彎折角度為30.7°，一個(gè)波紋長(zhǎng)度為1.6 m，鋼板厚度根據(jù)承載能力需要，分別采用10、14、16、18 mm四種不同型號(hào)。箱梁使用的鋼材和混凝土分別選用Q345鋼材和C50混凝土。

箱梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系。在箱梁橋縱向，預(yù)應(yīng)力束布置采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束與體外預(yù)應(yīng)力束相結(jié)合的方式;在箱梁橋橫向，則僅采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的布置方式。體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力鋼束均采19φs15.2類型、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860 MPa的低松弛鋼絞線，其中體內(nèi)錨下控制張拉應(yīng)力為0.75×1860 MPa=1395mPa。體外錨下控制張拉應(yīng)力為0.65×1860 MPa=1209MPa。

本箱梁橋連接件的設(shè)置采用最為常見(jiàn)的PBL剪力鍵進(jìn)行連接。

為提高整個(gè)箱梁橋的橫向抗變形能力和實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向的目的，箱梁橋邊跨設(shè)置3道橫隔板，中跨設(shè)置4道橫隔板，橫隔板板厚0.5m。

鋼腹板的涂裝防腐采用設(shè)計(jì)壽命不低于25年的除銹后噴鋁防腐方案。

2　有限元模型建立[3-5]

2.1模型建立

箱梁橋采用Midas/Civil有限元軟件，通過(guò)輸入相應(yīng)的截面參數(shù)、支座條件和預(yù)應(yīng)力鋼束狀況等來(lái)完成結(jié)構(gòu)建模。全模型共劃分為73個(gè)節(jié)點(diǎn)和58個(gè)單元，如圖 1所示。

2.2荷載取值及組合

(1)荷載取值

永久作用：鋼筋混凝土頂、底板容重按25kN/m3計(jì)；鋼材容重按78.5kN/ m3計(jì)；橋面鋪裝采用厚度為10 cm瀝青混凝土，其容重按24kN/ m3計(jì)；單側(cè)護(hù)欄重量按9 kN/m計(jì)；箱梁橋的環(huán)境相對(duì)濕度取80%；支座的不均勻沉降按5mm計(jì)。

可變作用：1.3倍公路-I級(jí)車道荷載，設(shè)計(jì)車道數(shù)為6，考慮各種不利情況，取偏載系數(shù)1.15。

(2)荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，本次荷載組合選取了三種最不利的效應(yīng)組合，即短期效應(yīng)組合、標(biāo)準(zhǔn)值組合和承載能力極限狀態(tài)基本組合[6]。

3　有限元結(jié)果分析

3.1承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

(1)正截面抗彎承載能力驗(yàn)算

運(yùn)行Midas/Civil有限元軟件，可以得到箱梁橋在承載能力極限狀態(tài)下的彎矩包絡(luò)圖，如圖2所示：

由“平截面假定”可知，波形鋼腹板組合箱梁的彎矩近似認(rèn)為全部由箱梁橋的混凝土頂、底板承擔(dān)，鋼腹板不參與作用[7]。

由ΣH=0得fcdbex=fpdAy1+σyuAy2：

式中：fcd為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；be為頂、底板有效分布寬度；σyu為受拉區(qū)體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的極限應(yīng)力；σyu=σyk+Δσyu；σyk為扣除各種預(yù)應(yīng)力損失后體外預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力；Δσyu為體外預(yù)應(yīng)力筋在極限狀態(tài)下的應(yīng)力增量，目前沒(méi)有簡(jiǎn)單通用的精確計(jì)算方法，偏保守地取Δσyu=0；fpd為受拉區(qū)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Ay1、Ay2為受拉區(qū)體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力鋼筋面積；hy1、hy2為受拉區(qū)體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)到箱梁上緣的距離。

截面抗彎承載力公式為：

主要截面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由圖2和表1可知，箱梁橋的跨中彎矩值為124875kN·m，小于抗彎承載能力值138 838kN·m；箱梁橋的墩頂彎矩值為271131kN.m，小于抗彎承載能力值428 357kN·m，所以在承載能力極限狀態(tài)下箱梁橋能夠滿足正截面抗彎的要求。

表1　波形鋼腹板主要截面承載能力驗(yàn)算表

(2) 斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算

波形鋼腹板一般由卷材或板材彎折而成，縱向的彈性模量小，基本上不能承受縱向壓力，而剪力幾乎完全由波形鋼板承擔(dān)，且彎矩和剪力不發(fā)生相互作用[8]。因此無(wú)需對(duì)該類橋梁進(jìn)行斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算。

3.2正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

(1)正截面抗裂驗(yàn)算

運(yùn)行Midas/Civil有限元軟件，可以得到正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合下箱梁橋的截面最大正應(yīng)力包絡(luò)圖(受拉為正)如圖3、圖4所示：

由圖3和圖4可知，在正常使用狀態(tài)短期效應(yīng)組合下箱梁橋截面上緣、下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，能夠滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件正截面抗裂驗(yàn)算要求。

(2)斜截面抗裂驗(yàn)算

在對(duì)箱梁橋進(jìn)行斜截面抗裂驗(yàn)算時(shí)，通常選用彎矩和剪力均較大處作為最不利區(qū)段，而在波形鋼腹板PC組合箱梁結(jié)構(gòu)中，近似認(rèn)為混凝土頂、底板承擔(dān)了全部彎矩，鋼腹板承擔(dān)了全部剪力，且彎矩與剪力不發(fā)生相互作用。因此不需對(duì)箱梁橋進(jìn)行斜截面抗裂驗(yàn)算。

(3)撓度驗(yàn)算

運(yùn)行Midas/Civil有限元軟件，可以得到箱梁橋在1.3倍公路-I級(jí)荷載作用下的撓度如圖5所示，撓度驗(yàn)算見(jiàn)表2(表中撓度以向下為正)：

由圖5和表2可知，箱梁橋的撓度最大允許值為133.3mm，而箱梁橋的實(shí)際撓度值為73.0 mm，能夠滿足規(guī)范限值的要求。

表2　撓度驗(yàn)算(單位：mm)

注：l為計(jì)算跨徑。

3.3波形鋼腹板抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

運(yùn)行Midas/Civil有限元軟件，可以得到鋼腹板在持久狀況下的剪力包絡(luò)圖,如圖6所示。

本橋鋼腹板采用Q345鋼材，由于鋼板厚度不同，取腹板厚度為18 mm時(shí)得到的鋼材最小容許剪應(yīng)力為170 MPa，大于箱梁橋腹板實(shí)際的最大剪應(yīng)力值127.3mPa，所以波形鋼腹板能夠滿足抗剪強(qiáng)度的要求。

4　結(jié)論

1)承載能力極限狀態(tài)下箱梁橋能夠滿足正截面抗彎和斜截面抗剪的要求。

2)正常使用極限狀態(tài)荷載短期效應(yīng)組合下，箱梁橋正截面和斜截面滿足抗裂的要求。

3)1.3倍公路-I級(jí)荷載作用下，箱梁橋的最大撓度能夠滿足規(guī)范限值的要求。

4)持久狀況下箱梁橋鋼腹板的抗剪能力能夠滿足對(duì)腹板抗剪強(qiáng)度的要求。

[1]閆 鵬.波形鋼腹板PC組合彎箱梁橋力學(xué)性能研究 [D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2011.

[2]栗國(guó)君.波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋的靜動(dòng)力特性分析研究 [D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[3]顧安邦,徐君蘭.波形鋼腹板組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)與受力分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,24(2):30-32.

[4]宋建永,張樹(shù)仁,王宗林.波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力組合梁全過(guò)程分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30 (3):52-55.

[5]陳寶春,黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應(yīng)用綜述[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2012,12(4):28-31.

[6]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[7]仁 順,李文虎,任大龍.波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋有限元靜力分[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2013,3(2):17-21.

[8]竇勝譚.波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋PBL剪力鍵試驗(yàn)與理論研究 [D].成都:西南交通大學(xué),2014.

(責(zé)任編輯王利君)

Static checking 0f continuous box girder bridge with corrugated steel webs PC combination bridge base on finite element Method

LU Lanping, LI Pengtao, HAN Yajie, CHEN Lin

(College of Civil Engineering Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038,China)

According to the example of the combination of three corrugated steel webs(50m + 80m + 50m) across PC continuous box girder bridgewhich has been built and used.According to the bridge after the completion of operations, the Midas / Civil Software finite element modeling was used to make inspection and review of the bending and shear , crack deflection and strength three kinds of the most adverse effects (short-term effects of the combination, and the standard combination of values and ultimate limit state the basic combination) .The results show that the structure can well meet the requirements specification and design documents when its finite element model is in condition of the three most adverse effects.

corrugated steel webs; composite box girder; Midas / Civil; static checking

2016-03-14

國(guó)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)03-0072-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.015

U448.3

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