任大龍，李文虎，萬水

(1.常州市建設(shè)工程結(jié)構(gòu)與材料性能研究重點實驗室(常州工學(xué)院)，江蘇 常州 213002;2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

波形鋼腹板組合箱梁是用波形鋼腹板替代混凝土腹板，通過抗剪連接件與混凝土頂板和底板連接而形成的新型組合結(jié)構(gòu)。波形鋼腹板不抵抗軸向力，預(yù)加力有效地施加到混凝土頂板和底板上，同時波形鋼腹板對箱梁頂板和底板由于徐變和干燥收縮所產(chǎn)生的變形不產(chǎn)生約束作用，減小了預(yù)應(yīng)力損失［1-2］，加之波形鋼腹板組合梁橋造型美觀、施工方便，在近幾年橋梁建設(shè)中得到快速發(fā)展［1，3-4］。目前，市場上沒有用于波形鋼腹板組合梁橋的專業(yè)設(shè)計計算程序，該類橋梁的設(shè)計通常采用校企聯(lián)合方式進行，設(shè)計單位完成橋梁構(gòu)造設(shè)計，高校及科研部門使用ANSYS、ABQUUS等大型空間有限元程序進行橋梁結(jié)構(gòu)計算與校核。簡潔實用的計算方法的缺失，影響著波形鋼腹板組合梁橋的進一步應(yīng)用。為此，本文依托某波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋，分析橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，提出抗彎計算的簡化方法，并對計算結(jié)果進行了分析。

1 有效彈性模量

波形鋼腹板在軸向力作用下發(fā)生很大變形，其實際軸向彈性模量Ex比鋼板彈性模量E要小。取一個波長波形鋼腹板，H、h、t分別為波形鋼腹板的高度、波高(波峰與波谷高差)、鋼板厚度，尺寸如圖1所示。

圖1 波形鋼腹板構(gòu)造

等長度平鋼板軸向變形:

其中，波形鋼腹板抗彎慣性矩I=Ht3/12，平鋼板截面面積A=Ht。

圖2 軸向力作用下彎矩圖

由 Ex/E=δ2/δ1，將式(1)、式(2)代入 Ex/E=δ2/δ1，得到波形鋼腹板有效彈性模量:

對于1200型波形鋼腹板，b=330 mm，d=270 mm，h=200 mm，a=330 mm，t=12 mm，代入式(3)，得到Ex=E/611，即波形鋼腹板的有效彈性模量為鋼板彈性模量的1/611，因此在波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)抗彎計算中，完全可以忽略波形鋼腹板的貢獻，這一點與文獻［5］～文獻［7］結(jié)果一致。因此只考慮頂、底板對其中性軸的抗彎作用，即將波形鋼腹板PC組合箱梁截面圖3(a)等效成圖3(b)所示截面。

圖3 波形鋼腹板組合梁截面換算

2 工程概況

橋梁為三跨波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋，跨徑布置22 m+36 m+22 m=80 m，橋面寬度2.0 m(人行道)+24 m(行車道)+2.0 m(人行道)=28.0 m，雙向6車道，設(shè)計荷載為公路-I級。

主梁采用單箱五室直腹板變高截面組合箱梁，頂板寬28.0 m，底板寬23.71 m，翼緣懸臂長2.5 m。梁高按二次拋物線變化，墩頂梁高2.6 m，跨中梁高1.7 m;頂板砼厚27 cm，底板砼厚25 cm。腹板采用1200型波形鋼腹板，鋼板厚度10 mm，鋼材種類Q345d，如圖4、圖5所示(單位:mm)。

圖4 主梁構(gòu)造圖

圖5 抗剪連接件

主梁預(yù)應(yīng)力束為體內(nèi)束、體外束混合配筋方式，混凝土頂、底板布設(shè)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，箱梁內(nèi)布設(shè)折線形體外預(yù)應(yīng)力束。混凝土頂板采用Twin-PBL抗剪連接件，混凝土底板為嵌入式帶板抗剪連接件。邊跨端橫隔梁厚度1.5 m，墩頂中橫隔梁厚度2.0 m。采用滿堂支架法現(xiàn)澆施工，一次落架。

3 有限元計算

3.1 有限元模型

采用橋梁博士V3.0.3有限元程序，建立全橋桿系有限元模型。全橋劃分為92個單元，93個節(jié)點。

2#、28#、66#、92#節(jié)點為支座位置，如圖6 所示。

圖6 橋梁有限元模型

在建模分析中假定:

1)波形鋼腹板與混凝土頂、底板連接完全可靠，不產(chǎn)生相對滑移或剪切連接破壞。

2)波形鋼腹板具有足夠的屈曲強度，不發(fā)生任何形式的屈曲破壞。

3)不考慮腹板抗彎剛度，按圖3取波形鋼腹板等效換算截面。

4)截面法向應(yīng)變符合平截面分布［5，7］。

5)不考慮鋼筋以及混凝土非線性的影響。

按JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《橋規(guī)》)施加以下作用:

1)收縮徐變天數(shù):10 a(3 650 d)。

2)整體升溫溫差20℃，整體降溫溫差10℃。

3)非線形溫度:橋面升溫14℃，降溫7℃。

4)支座不均勻沉降:考慮每個支座可能沉降5 mm。

3.2 計算結(jié)果分析

《橋規(guī)》規(guī)定:使用階段(標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合)應(yīng)對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受壓區(qū)混凝土截面進行壓應(yīng)力驗算，正截面法向壓應(yīng)力須滿足正截面法向壓應(yīng)力 σkc+σpt≤0.5fck。

《橋規(guī)》規(guī)定:在作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下抗裂應(yīng)對構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進行驗算，正截面法向拉應(yīng)力須滿足σst-σpc≤0.7ftk。

同時滿足:在荷載長期效應(yīng)組合下正截面法向拉應(yīng)力須滿足σlt-σpc≤0。

從圖7(a)、(b)可以看出，在持久狀況短期效應(yīng)組合作用下，主梁上緣最大法向拉應(yīng)力-0.404 MPa，下緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足《橋規(guī)》限值-1.85 MPa要求;長期效應(yīng)組合作用下主梁上、下緣未出現(xiàn)法向拉應(yīng)力。從圖7(c)可以看出，在持久狀況標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合作用下，主梁上緣最大法向壓應(yīng)力15.5 MPa，下緣最大壓應(yīng)力12.9 MPa，滿足《橋規(guī)》限值16.2 MPa要求。

圖7 截面法向應(yīng)力

由圖8(a)、(b)可以看出，主梁跨中截面最大正彎矩115 000 kN·m，抗彎承載力128 000 kN·m;支點附近截面最大負(fù)彎矩3 760 kN·m，抗彎承載力3 850 kN·m，主梁抗彎承載力滿足要求。

4 結(jié)論

1)波形鋼腹板的有效彈性模量遠小于鋼材彈性模量，在波形鋼腹板組合梁橋抗彎性能分析時，可以忽略波形鋼腹板，僅考慮混凝土頂?shù)装宓目箯澴饔?，將主梁截面進行簡化。

圖8 主梁抗彎強度

2)通過對一座使用ANSYS有限元程序計算的波形鋼腹板連續(xù)組合箱梁橋的簡化計算，其計算結(jié)果與ANSYS計算結(jié)果一致。

3)采用換算截面進行波形鋼腹板組合梁橋結(jié)構(gòu)分析，計算方法簡單，計算結(jié)果可靠，特別適用于波形鋼腹板組合橋梁的設(shè)計。

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［3］徐強，萬水.波形鋼腹板PC組合箱梁橋的設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］萬水，李淑琴，馬磊.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)在中國橋梁工程中的應(yīng)用［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2009，26(6):15-20.

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