王兆勛

(同濟(jì)大學(xué))

橫隔板數(shù)量對波形鋼腹板PC組合箱梁抗扭剛度的影響

王兆勛

(同濟(jì)大學(xué))

摘 要:通過有限元的方法，采用Abaqus計算軟件，研究了橫隔板數(shù)量對波形鋼腹板PC組合箱梁抗扭剛度的影響。研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)梁高跨比較大時，增加橫隔板數(shù)量，可以一定程度上提高梁的抗扭剛度;當(dāng)高跨比較小時，增加橫隔板數(shù)量對梁的抗扭剛度影響不大。

關(guān)鍵詞:波形鋼腹板PC組合梁;波形鋼腹板;抗扭剛度;橫隔板;高跨比

波形鋼腹板PC組合箱梁是20世紀(jì)80年代首先應(yīng)用于橋梁上的新型組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)造詳見圖1。這種結(jié)構(gòu)以波形鋼板代替混凝土作為箱梁的腹板，并采用箱內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，實現(xiàn)了主梁的輕型化，增大了梁的跨越能力，順應(yīng)現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土PC箱梁的發(fā)展潮流。

波形鋼腹板PC組合箱梁與傳統(tǒng)混凝土箱梁相比，主要有如下三方面優(yōu)點:(1)采用波形鋼腹板代替混凝土腹板使上部結(jié)構(gòu)自重減輕，進(jìn)而有效減少下部結(jié)構(gòu)的工程量，使工程總造價得以降低;(2)波形鋼腹板軸向剛度很小，不具有抵抗軸向變形的能力，可使預(yù)應(yīng)力有效地施加于混凝土頂、底板，提高了預(yù)應(yīng)力的導(dǎo)入效率;(3)波形鋼腹板箱梁施工過程中，可以減少大量的模板、支架和混凝土澆筑工程，免除在混凝土腹板內(nèi)預(yù)埋管道的繁雜工藝，從而方便了施工，縮短了工期。

圖1 波形鋼腹板PC組合箱梁

1 計算模型

1.1 基本尺寸

梁總長320 cm，梁高45 cm，頂板寬204 cm、厚9 cm，底板寬98 cm、厚9 cm，箱梁沿縱向設(shè)置橫隔板，橫隔板厚10 cm，混凝土標(biāo)號為 C40，其鋼筋骨架由 Φ8、Φ10、Φ14及預(yù)應(yīng)力鋼筋組成。試驗梁采用的波紋鋼腹板厚2.5 mm，彎折角度37°，波長193 mm，波高35 mm，鋼材采用優(yōu)質(zhì)Q235，波形鋼腹板尺寸詳見圖2。梁的約束形式為一端固定，另一端自由。

圖2 波形鋼腹板幾何尺寸圖

1.2 連接形式

梁頂、底板與波形鋼腹板的連接形式，采用嵌入型連接鍵。其中結(jié)合棒采用Φ10鋼筋焊接于波形鋼腹板上，穿透鋼筋采用Φ8鋼筋，穿過事先在波形鋼腹板上打的孔洞，波形鋼腹板與端橫隔板的連接采用在波形板上打孔，并穿入Φ8穿透鋼筋的連接方式，見圖3。與中橫隔板的連接則采用栓釘連接方式，栓釘Φ10×50 mm，見圖4。

圖3 連接形式

圖4 波形鋼板與端橫隔板連接

1.3 預(yù)應(yīng)力筋

預(yù)應(yīng)力筋采用體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力混合布置的形式。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力在頂板上呈直線布置，體外預(yù)應(yīng)力以中橫隔板為轉(zhuǎn)向塊，在立面上呈折線布置，體內(nèi)、外預(yù)應(yīng)力各4束，型號均采用7Φj15.24鋼絞線。

2 波形鋼腹板PC組合梁抗扭剛度的有限元分析

采用三維有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析。混凝土頂?shù)装宀捎萌S實體單元，波形鋼腹板采用板殼單元，鋼筋采用桿單元進(jìn)行模擬。為保證波形鋼腹板與混凝土頂、底板之間的平動和轉(zhuǎn)動一致，并且兩者間的應(yīng)力能夠?qū)崿F(xiàn)傳遞，用ABAQUS中interaction模塊的shell to solid功能進(jìn)行連接部位模擬。預(yù)應(yīng)力的模擬可以通過者降溫法實現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力施加水平為4 MPa。

2.1 單元的選取及網(wǎng)格劃分

頂、底板混凝土結(jié)構(gòu)采用三維實體單元(C3D8)，板波形鋼腹板采用殼單元(S4R)，預(yù)應(yīng)力鋼筋及普通鋼筋采用三維桿單元模擬桿單元(T3D2)。共劃分了13 040個單元。網(wǎng)格尺寸大小為1.5 cm;桿單元32個，其中體內(nèi)索單元24個，體外索單元8個。

2.2 邊界條件模擬及材料特性

梁模型是懸臂梁構(gòu)件，將有限元模型的固定端截面上各個節(jié)點的三個平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度完全約束，即可達(dá)到與實際中相同的效果?；炷恋膹椥阅Ａ?.25×104MPa，泊松比為0.2;波形鋼板及鋼筋的彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3;預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量為1.95×105MPa。

2.3 加載方式

荷載采用偏心集中荷載形式，加載點位于梁懸臂端。加載點在梁懸臂端橫截面位置見圖5。在彈性范圍內(nèi)加載至60 kN。

圖5 加載點沿橫截面布置圖

3 波形鋼腹板組合梁橫板數(shù)量對梁抗扭剛度的影響

運(yùn)用ABAQUS軟件對三根不同長度但等截面懸臂梁進(jìn)行橫隔板間距的參數(shù)分析，以研究不同橫隔板對梁抗扭剛度的影響。梁的截面尺寸見圖2a，梁的長度分別為3.2 m、5.4 m、9 m，其高跨比分別為 1/7、1/12、1/20，梁的約束形式仍為一端固定、一端自由。在進(jìn)行參數(shù)分析時，在梁跨內(nèi)均勻布置橫隔板，研究在偏心60 kN荷載作用下懸臂端底板的偏轉(zhuǎn)量。試驗梁無中橫隔和跨中均布四道橫隔這兩種情況的有限元模型沿縱軸線剖開的剖面圖。

采用ABAQUS有限元計算軟件，分別計算不同橫隔板數(shù)量的三根梁懸臂端的偏轉(zhuǎn)量，然后代入式子(1)，便可得到不同橫隔板數(shù)量不同梁的抗扭剛度的增大系數(shù)β。

由表1可以看出，當(dāng)波形鋼腹板組合箱梁的高跨比較大時，設(shè)置中橫隔對箱梁抗扭剛度提高的效果比較明顯，試驗梁(高跨比1/7)在設(shè)置一道中橫隔后的抗扭剛度相比與不設(shè)置中橫隔時的抗扭剛度提高了19.72%，但當(dāng)橫隔板設(shè)置的數(shù)量達(dá)到一定的程度時，即使再增加橫隔板的設(shè)置，對抗扭剛度的影響也不大。從表2和表3可以看出，當(dāng)波形鋼腹板箱梁的高跨比較小時，通常橫隔板的設(shè)置對波形鋼腹板箱梁抗扭剛度的提高不大。如當(dāng)高跨比為1/12時，即使設(shè)置的橫隔板間距只有梁高的兩倍，其抗扭剛度相對于不設(shè)置中橫隔時的抗扭剛度僅提高了9.71%。只有當(dāng)橫隔板的設(shè)置間距達(dá)到與梁高相當(dāng)?shù)臅r候，抗扭剛度的提高才達(dá)到10%以上。由以上分析可知，在梁高跨比較大時，通過增加橫隔板數(shù)量，可以一定程度上提高梁的抗扭剛度。

表1 高跨比1/7時試驗梁抗扭剛度的增大系數(shù)

表2 高跨比1/12時懸臂梁抗扭剛度的增大系數(shù)

表3 高跨比1/20時懸臂梁抗扭剛度的增大系數(shù)

4 結(jié)論

由以上研究可知，梁內(nèi)橫隔板數(shù)量對梁抗扭剛度的影響與梁高跨比有關(guān)。當(dāng)梁高跨比較大時，增加橫隔板數(shù)量，可以一定程度上提高梁的抗扭剛度;當(dāng)梁高跨比較小時，增加橫隔板數(shù)量對梁的抗扭剛度影響不大。

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中圖分類號:U442

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1008-3383(2011)06-0125-02

收稿日期:2011-06-10