何琦琪

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530028)

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雙箱單室波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁橋設(shè)計(jì)分析

何琦琪

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530028)

文章設(shè)計(jì)了一座雙箱單室波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁橋，并建立有限元實(shí)體模型對(duì)其應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析計(jì)算。通過(guò)成橋試驗(yàn)驗(yàn)證，得出該橋梁構(gòu)造合理、各部連接可靠、有限元模擬分析方法正確，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)、研究提供參考。

波形鋼腹板組合梁橋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；實(shí)體模型；試驗(yàn)驗(yàn)證

0　引言

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁解決了橋梁輕型化和混凝土腹板的開(kāi)裂問(wèn)題，而且相較于平面鋼腹板梁橋，波形鋼腹板的褶皺效應(yīng)使得頂?shù)装寤炷烈蚴湛s徐變產(chǎn)生的縱向變形不受約束，從而提高其預(yù)應(yīng)力效率。同時(shí)，波形鋼腹板具有施工進(jìn)度快、便于維修和補(bǔ)強(qiáng)、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，是目前推廣應(yīng)用的一項(xiàng)新材料、新技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)了一座雙箱單室波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁橋，并建立有限元實(shí)體模型進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)成橋試驗(yàn)驗(yàn)證，橋梁構(gòu)造合理、各部連接可靠、有限元模擬分析方法正確，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)、研究提供參考。

1　工程概況

廣西隆百高速公路K118+155東部2號(hào)高架橋，橋梁跨度40 m，簡(jiǎn)支體系，單幅橋?qū)?2.75 m，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，橋梁總體布置圖如圖1所示。

圖1　橋梁總體布置圖(單位：cm)

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

K118+155上部結(jié)構(gòu)其中一幅采用傳統(tǒng)的小箱梁結(jié)構(gòu)，另一幅采用雙箱單室波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁橋結(jié)構(gòu)。為了提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響適用的側(cè)向變形和橫向振動(dòng)，除端橫隔板外，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁橋跨間共布置五道橫隔板，橋梁具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。橋梁采用的施工方案為波形鋼腹板在工廠分段軋制，現(xiàn)場(chǎng)拼接，然后整體澆注上下混凝土翼緣板。

表1　橋梁設(shè)計(jì)主要參數(shù)表

圖2橋梁上部結(jié)構(gòu)一般構(gòu)造圖(單位：cm)

圖3　橋梁箱梁斷面圖(單位：cm)

圖4　橋梁波形鋼腹板構(gòu)造圖(單位：mm)

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁橋鋼腹板與頂?shù)装寤炷恋倪B接、鋼腹板節(jié)段之間的連接及與橫梁的連接是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，直接決定著結(jié)構(gòu)的整體性和縱向水平力傳遞的有效性。橋梁波形鋼腹板與頂?shù)装寤炷恋倪B接采用焊釘連接件與開(kāi)孔鋼板連接件的組合方式，如圖5所示，在波形鋼腹板的上下端部焊接倒T形鋼板，鋼板上開(kāi)孔，孔中貫穿普通鋼筋，同時(shí)在倒T形鋼板兩側(cè)焊連接栓釘，使之成為整體受力骨架，埋入混凝土頂?shù)装鍍?nèi)的貫穿鋼筋和所開(kāi)孔中的混凝土銷、栓釘共同參與抗剪。

橋梁波形鋼腹板節(jié)段的連接采用鋼板搭接，配以貼角焊縫和高強(qiáng)螺栓的連接方式，為確保接口有充分的抗疲勞性能，采用如圖6所示的接口構(gòu)造。波紋鋼腹板與端橫隔梁的連接采用翼緣型和嵌入型組合方式，與跨內(nèi)混凝土橫隔板之間的連接通過(guò)焊釘接合。

圖5　波形鋼腹板與頂?shù)装暹B接示意圖(單位：cm)

圖6　波形鋼腹板節(jié)段連接示意圖

3　計(jì)算分析

橋梁設(shè)計(jì)采用ANSYS有限元軟件對(duì)應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析?？紤]波形腹板的縱向剛度較低、豎向剪切剛度偏小、扭轉(zhuǎn)和畸變較大等特性，需要建立合理的三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算。頂?shù)装寤炷敛捎肧OLID45單元，預(yù)應(yīng)力鋼束采用LINK8單元，波形鋼腹板采用SHELL63單元、支座采用Solid45實(shí)體單元模擬，建立橋梁有限元實(shí)體模型如圖7所示。

圖7　橋梁有限元實(shí)體模型圖

波形鋼腹板在橋梁縱向能夠自由變形，混凝土頂?shù)装逡蚴湛s、徐變及鋼板與翼緣板的溫差所引起的應(yīng)力，不受波形鋼腹板的影響，可以忽略收縮、徐變等引起的次應(yīng)力。橋梁計(jì)算主要結(jié)果見(jiàn)表2及圖8～9，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2　橋梁有限元分析應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

圖8　鋼腹板最大主拉應(yīng)力云圖(自重+預(yù)應(yīng)力+二期恒載+溫度梯度+車輛荷載(偏載))

圖9　鋼腹板最大主壓應(yīng)力云圖(自重+預(yù)應(yīng)力+二期恒載+溫度梯度+車輛荷載(偏載))

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

橋梁施工完成后，為驗(yàn)證橋梁的施工質(zhì)量和設(shè)計(jì)、計(jì)算的正確性，對(duì)橋梁進(jìn)行了靜、動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示，其中縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及撓度測(cè)點(diǎn)布置于跨中截面，剪應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于梁端剪力最大截面。

圖10　橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

靜載試驗(yàn)設(shè)置三個(gè)工況：(1)跨中截面最大正彎矩正載；(2)跨中截面最大正彎矩偏載；(3)梁端截面最大剪力正載[1]。靜載試驗(yàn)撓度測(cè)試結(jié)果如表3所示，應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表4～5所示[2]。由試驗(yàn)結(jié)果可知，橋梁的撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均<1，說(shuō)明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度。

表3　跨中截面撓度測(cè)試表 (單位：mm)

表4　縱向應(yīng)變測(cè)試表

表5　剪應(yīng)變測(cè)試表

動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行了脈動(dòng)試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)及跳車試驗(yàn)，測(cè)得橋梁的基頻為3.65 Hz[2]，稍大于理論基頻，振型與理論分析相符，說(shuō)明實(shí)橋的剛度>理論模型。另測(cè)得橋梁的沖擊系數(shù)在0.096～0.178之間，與理論沖擊系數(shù)0.160較為接近。

5　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試可知，橋梁應(yīng)變和撓度均在合理范圍，整體剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求；固有基頻及沖擊系數(shù)與理論值相近，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好。由靜載、動(dòng)載試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果與理論分析的計(jì)算值比較可知，各項(xiàng)數(shù)據(jù)分布均勻，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，吻合較好，說(shuō)明橋梁構(gòu)造合理、各部連接傳力可靠，有限元模擬分析方法正確。該橋迄今已通車三年，各項(xiàng)性能優(yōu)異。

[1]李宏江，葉見(jiàn)曙，萬(wàn)水，等.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17(4)：31-36.

[2]廣西壯族自治區(qū)交通科學(xué)研究院.隆林至百色高速公路K118+155東部2號(hào)高架橋荷載試驗(yàn)報(bào)告[R].2011.

Design and Analysis of Twin-box Single-chamber Prestressed Composite Girder-bridge with Corrugated Steel Webs

HE Qi-qi

Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530028)

This article designed a twin-box single-chamber prestressed composite girder bridge with corrugated steel webs，and established the finite element physical model to analyze and calculate its stress distribution.Through the experimental verification of completed bridge，it obtained that this bridge structure is reasonable，with reliable connection among all parts，the finite element simulation analysis method is correct，which can provide reference for the design and research of same type of bridges.

Composite girder bridge with corrugated steel webs；Structural design；Finite element analysis；Physical model；Experimental verification

U448.21

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.015

1673-4874(2016)05-0056-03

2016-04-27

何琦琪(1980—)，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。