波形鋼腹板幾何參數(shù)對(duì)主梁靜力性能的影響

范智皓， 張開銀

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

波形鋼腹板組合箱梁橋這種新型組合梁橋結(jié)構(gòu)興起于20世紀(jì)80年代[1]。相比較傳統(tǒng)的混凝土箱梁橋，波形鋼腹板箱梁橋有著能夠有效地減輕橋身自重、提升預(yù)應(yīng)力效率、避免腹板開裂等優(yōu)點(diǎn)，因而成為近些年來國(guó)內(nèi)外橋梁專家與學(xué)者的研究重點(diǎn)。周緒紅等[2]根據(jù)相似理論對(duì)某跨徑40 m的波形鋼腹板組合箱梁橋進(jìn)行的模型試驗(yàn)，探究了該橋的基本受力性能；李宏江等[3]通過模型試驗(yàn)探究了鋼腹板剪切變形對(duì)波形鋼腹板組合箱梁撓度的影響；鄭尚敏[4]對(duì)波形鋼腹板組合箱梁橋進(jìn)行了動(dòng)力性能探究。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)波形鋼腹板組合箱梁橋的研究主要集中在靜、動(dòng)力性能分析等方面，而對(duì)鋼腹板參數(shù)分析的研究較少。由于使用波形鋼腹板替代了傳統(tǒng)的混凝土腹板，而波形鋼腹板的幾何參數(shù)的改變也必然會(huì)對(duì)主梁的靜力性能產(chǎn)生一定的影響，因此有必要對(duì)此橋型的腹板幾何參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。故本文以一座已建波形鋼腹板組合箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，研究波形鋼腹板幾何參數(shù)的變化對(duì)波形鋼腹板主梁靜力性能的影響。

1 工程概況

該橋?yàn)橐蛔ㄐ武摳拱孱A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，跨徑為(83+153+83) m，主橋橫橋向采用雙幅橋布置。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室三跨波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，根部梁高8.8 m，頂板厚0.3 m，底板厚1.1 m；跨中及邊跨處梁高3.5 m，頂板厚0.3 m，底板厚0.3 m；梁高及底板厚均按1.8次拋物線變化。波形鋼腹板箱梁典型截面尺寸如圖1所示；波形鋼腹板采用1600型，幾何尺寸如圖2所示。

圖1 波形鋼腹板箱梁典型截面尺寸(單位：cm)

圖2 波形鋼腹板幾何尺寸(單位：mm)

2 有限元模型

采用有限元MIDAS/Civil對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。用MIDAS/Civil中自帶的波形鋼腹板設(shè)計(jì)截面對(duì)箱梁截面進(jìn)行模擬。兩橋墩處邊界條件為固結(jié)，邊跨兩支座處采用彈性連接。全橋模型共劃分為103個(gè)單元，108個(gè)節(jié)點(diǎn)。波形鋼腹板箱梁有限元模型如圖3所示。

圖3 波形鋼腹板箱梁有限元模型

3 鋼腹板參數(shù)變化對(duì)箱梁力學(xué)性能影響分析

常見的波形鋼腹板幾何型狀如圖4所示。其中幾何參數(shù)通常有鋼腹板高度h、鋼腹板厚度t、鋼腹板長(zhǎng)度b、鋼腹板波折角θ、鋼腹板直板段長(zhǎng)度aw、鋼腹板斜板段長(zhǎng)度bw。由于受到工廠加工限制，通常有aw=bw，因此鋼腹板幾何參數(shù)中只有3個(gè)變量：鋼板厚度t、鋼板直板段長(zhǎng)度aw與波折角θ，本文也將針對(duì)這3個(gè)變量進(jìn)行參數(shù)影響分析[5,6]。

圖4 波形鋼腹板幾何形狀

3.1 鋼腹板厚度

本小節(jié)中控制直板段鋼板長(zhǎng)度aw=430 mm，波折角度θ=30°，鋼腹板高度h=220 mm，波長(zhǎng)b=1 600 mm不變；調(diào)整鋼腹板厚度，鋼腹板厚度依次取12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，22 mm。建立有限元模型，分析在荷載作用下，鋼腹板厚度的變化對(duì)波形鋼腹板箱梁的力學(xué)性能的影響。其箱梁跨中的撓度及頂、底板正應(yīng)力的分析結(jié)果見表1。

表1 鋼腹板厚度變化對(duì)箱梁力學(xué)性能的影響

分析表1結(jié)果可知，調(diào)整波形鋼腹板的厚度，主梁整體的撓度與應(yīng)力均發(fā)生了一定的變化。主梁撓度方面，隨著鋼腹板厚度的增大，主梁整體的撓度都有著減小的趨勢(shì)。其中跨跨中處減小幅度較大，中跨跨中處撓度由37.60 mm減小至34.48 mm，減小了3.12 mm；而邊跨1/2處與中跨1/4處減小幅度不大；中支點(diǎn)處撓度基本沒有變化。主梁應(yīng)力方面，隨著鋼腹板厚度的增大，主梁頂板應(yīng)力與底板應(yīng)力也均有減小的趨勢(shì)。其中中跨跨中處正應(yīng)力減小幅度較為明顯，壓應(yīng)力由1.821 MPa減小至1.722 MPa，減小了0.099 MPa；底板中跨跨中處拉應(yīng)力由2.641 MPa減小至2.533 MPa，減小了0.108 MPa。其他三處截面正應(yīng)力也呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，但減小幅度均不大。

3.2 鋼腹板直板段長(zhǎng)度

本小節(jié)中控制鋼腹板厚度t=12 mm，波折角θ=30°，鋼腹板高度h=220 mm，波長(zhǎng)1 600 mm不變,調(diào)整鋼腹板直板段長(zhǎng)度，直板段長(zhǎng)度依次取230 mm，330 mm，430 mm，530 mm，630 mm。建立有限元模型，分析在荷載作用下，鋼腹板直板段長(zhǎng)度的變化對(duì)波形鋼腹板箱梁的力學(xué)性能的影響。其箱梁跨中的撓度及頂、底板正應(yīng)力的分析結(jié)果見表2。

表2 鋼腹板直板段長(zhǎng)度變化對(duì)箱梁力學(xué)性能的影響

分析表2結(jié)果可知，調(diào)整波形鋼腹板直板段長(zhǎng)度，對(duì)主梁整體的撓度與應(yīng)力均有一定的影響。主梁撓度方面，隨著鋼腹板直板段長(zhǎng)度的增大，主梁撓度均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，但減小幅度不明顯，中跨跨中處撓度由37.76 mm減小至37.48 mm，減小了0.28 mm。主梁應(yīng)力方面，隨著鋼腹板直板段長(zhǎng)度的增大，主梁頂、底板正應(yīng)力也均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，但二者減小幅度均不大。

3.3 鋼腹板波折角

本小節(jié)中控制鋼腹板厚度t=12 mm，直板段長(zhǎng)度aw=430 mm，鋼腹板高度h=220 mm，波長(zhǎng)1 600 mm，調(diào)整鋼腹板波折角，波折角依次取0°，10°，20°，30°，40°，50°。建立有限元模型，分析在荷載作用下，鋼腹板波折角的變化對(duì)波形鋼腹板箱梁的力學(xué)性能的影響。其箱梁跨中的撓度及頂、底板正應(yīng)力的分析結(jié)果見表3。

表3 鋼腹板波折角變化對(duì)箱梁力學(xué)性能的影響

分析表3結(jié)果可知：調(diào)整波形鋼腹板波折角，對(duì)主梁橋整體的撓度與應(yīng)力均有一定的影響。主梁撓度方面，隨著鋼腹板波折角的增大，主梁整體的撓度都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其中跨跨中處增大幅度較明顯，中跨跨中處撓度由34.19 mm增大至39.68 mm，增大了5.49 mm。主梁應(yīng)力方面，隨著鋼腹板波折角的增大，主梁頂板應(yīng)力與底板應(yīng)力也均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但增大幅度均不明顯，中跨跨中處頂板壓應(yīng)力由1.813 MPa增大至1.827 MPa，增大了0.014 MPa；底板拉應(yīng)力由2.629 MPa增大至2.650 MPa，增大了0.021 MPa。由此可見，增加波形鋼腹板的波折角不利于改善主梁的靜力性能。

4 結(jié) 論

波形鋼腹板幾何參數(shù)的變化會(huì)對(duì)箱梁橋整體力學(xué)性能有一定的影響。其中：

(1) 隨著鋼腹板厚度的增大，主梁的撓度與應(yīng)力均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，因此增大鋼腹板的厚度有利于改善主梁的靜力性能；但鋼腹板厚度過大會(huì)增加鋼材的用量，經(jīng)濟(jì)效益有所降低。綜合考慮，鋼腹板厚度取16 mm最為適宜。

(2) 隨著鋼腹板直板段長(zhǎng)度的增大，主梁的撓度與應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，但減小幅度不大，當(dāng)直板段長(zhǎng)度超過530 mm時(shí)，主梁應(yīng)力有增大的趨勢(shì),因此適當(dāng)增加直板段長(zhǎng)度有利于改善主梁的靜力性能，但直板段長(zhǎng)度不宜超過530 mm。

(3) 隨著鋼腹板波折角的增大，主梁的撓度與應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，其中撓度變化最為明顯，因此增大鋼腹板波折角不利于改善主梁的靜力性能。但平鋼腹板易發(fā)生剪切變形，因此適當(dāng)增加鋼腹板波折角有利于提升鋼腹板的抗剪切強(qiáng)度。