杭兵

摘要：對(duì)于變截面波形鋼腹板PC組合箱梁橋這類大跨度橋梁（下文簡(jiǎn)稱“波形鋼腹板”）的建設(shè)工作而言，怎樣在實(shí)際建設(shè)工作中讓高腹板部位存在的屈曲承載力這一問題得到高效的解決，是提升施工跨度的一個(gè)主要問題。下文就通過計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行深入的討論。

關(guān)鍵詞：變截面；波形鋼腹板；應(yīng)力計(jì)算；剪切屈曲承載力；研究

一、剪應(yīng)力計(jì)算

本文經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)單箱單室的波形鋼腹板模型，使用ANSYS這一有限元（下文簡(jiǎn)稱為“ANSYS”）對(duì)其進(jìn)行討論計(jì)算。該模型的平板區(qū)域和斜板區(qū)域全部使用的是100mm的波形鋼腹板，其腹板的厚度是8mm、波高度是50mm，另外截面區(qū)域的參數(shù)如下圖1所示。注意：頂?shù)装宀课坏膶挾?、鋼腹板自身的厚度和頂板部位的厚度全部不?huì)順著跨度的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，可是，截面部位的梁高和底板部位的厚度全部順著跨度的方向出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，梁高從開始懸臂端底部區(qū)域的1.5m，轉(zhuǎn)變到模型最大端的0.75m，底板部位的厚度懸臂端底部區(qū)域的0.2m，轉(zhuǎn)變到模型最大端的0.08m，這一懸臂模型的跨度尺寸是20m，此模型詳細(xì)的另外截面區(qū)域的參數(shù)如下圖1所示。

本文使用對(duì)鋼腹板面積進(jìn)行考慮以及忽視的這一對(duì)剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的公式，對(duì)該模型當(dāng)中的5各主要截面區(qū)域和所有截面位置的上緣區(qū)域、下緣區(qū)域以及重心軸區(qū)域?qū)嵤┯?jì)算。將最大懸臂端頂板位置的上緣區(qū)域當(dāng)作原點(diǎn)坐標(biāo)，將其命名為“O”，將從O點(diǎn)沿著懸臂端底部區(qū)域的線命名為x軸，將O點(diǎn)垂直往下方向的線命名為y軸，選擇5個(gè)截面對(duì)其與O點(diǎn)進(jìn)行定距，分別命名為x1、x2、x3、x4、x5，將其最大懸臂端到達(dá)懸臂端底部區(qū)域選擇的截面的編號(hào)設(shè)定成：1#、2#、3#、4#、5#，按照圣維南原理，在對(duì)截面進(jìn)行選擇時(shí)，與最大懸臂端的距離為1.0m，另外就是1/4跨、中跨以及3/4跨，最后是與懸臂端底部區(qū)域的距離為1.0m這5個(gè)位置的截面進(jìn)行計(jì)算，在同一個(gè)截面當(dāng)中，選擇與腹板上緣之間的距離為1/4h、1/2h、3/4h（注意：此處的“h”代表的是腹板的高）。

以上述內(nèi)容為前提條件，對(duì)該模型的波形鋼腹板進(jìn)行計(jì)算，在垂直方向集中荷載和平均分布荷載作用的基礎(chǔ)上，讓結(jié)構(gòu)力學(xué)了解這一結(jié)構(gòu)只承擔(dān)垂直方向的剪力Q和產(chǎn)生的彎矩M，所以，在垂直方向荷載的作用分布到達(dá)最大懸臂端，可以使用（1）式對(duì)進(jìn)行計(jì)算：

所以，在對(duì)這一模型處于最大懸臂端階段的鋼腹板具備的剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，只需要將還有I順著跨度的方向發(fā)生的轉(zhuǎn)變率進(jìn)行計(jì)算就可以完成，最后，對(duì)截面當(dāng)中任意某點(diǎn)位置上的梁高H進(jìn)行計(jì)算，其具體公式為：

對(duì)梁高順著跨度的方向出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變率進(jìn)行計(jì)算，其具體公式為：

對(duì)截面當(dāng)中任意某點(diǎn)位置上的底板厚度進(jìn)行計(jì)算，其具體公式為：

對(duì)底板厚度順著跨度的方向出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變率進(jìn)行計(jì)算，其具體公式為：

對(duì)截面當(dāng)中的頂板寬度以及底板寬度、頂板厚度這三個(gè)值進(jìn)行計(jì)算，全部是固定值，根據(jù)上面第（3）以及第（4），就能夠?qū)⒔孛娈?dāng)中的梁體高度和底板寬度通過計(jì)算得出，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)，就能夠?qū)⑺薪孛娴拿娣e大小、重心軸的方位還有凈距等計(jì)算公式當(dāng)中需求的所有參數(shù)得出。

二、計(jì)算處于極限狀態(tài)時(shí)，剪切屈曲的承載力

（一）通過理論數(shù)值計(jì)算得出的結(jié)果

根據(jù)上文中對(duì)波形鋼腹板具備的剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的公式，對(duì)某一橋梁處于N倍狀態(tài)下承擔(dān)的二期荷載作用當(dāng)中，計(jì)算其波形鋼腹板具備的剪應(yīng)力數(shù)值。這一橋梁自身承擔(dān)的二期荷載數(shù)值是q=11.0kN/m，下表1當(dāng)中屈曲強(qiáng)度達(dá)到的最小數(shù)值，是處于臨界狀態(tài)的屈曲強(qiáng)度數(shù)值，對(duì)N的取值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，鋼腹板自身擁有的剪應(yīng)力處于其臨界狀態(tài)的屈曲強(qiáng)度數(shù)值，下面，將計(jì)算得出的結(jié)果通過下表1羅列出來。

從上表1當(dāng)中的計(jì)算結(jié)果當(dāng)中了解到：這一橋梁當(dāng)中的荷載力在進(jìn)行平均分布時(shí)，同一個(gè)截面當(dāng)中具備的剪應(yīng)力呈現(xiàn)出的線性轉(zhuǎn)變規(guī)律，借助于內(nèi)插方式，能夠得出鋼腹板實(shí)現(xiàn)的臨界狀態(tài)的屈曲應(yīng)力值，全部是荷載數(shù)值，就是這一座橋梁具備的剪力屈曲承載力。

借助于內(nèi)插方式計(jì)算得出該橋梁承擔(dān)的荷載力數(shù)值是：

從上式當(dāng)中了解到，這一座橋梁波形鋼腹板處于屈曲臨界狀態(tài)時(shí)，其理論狀態(tài)下計(jì)算得出的剪切屈曲承載力是1570.56kN/m。

（二）有限元方式計(jì)算

使用ANSYS軟件對(duì)上述橋梁的鋼腹板屈曲展開討論，波形鋼腹板使用shell93單元，其中，腹板當(dāng)中的梁高在底部區(qū)域的7.4m，轉(zhuǎn)變到了12.3m位置上的6.0m，腹板的厚度在0～5.9m區(qū)間內(nèi)是24mm，而在5.9m～12.3m區(qū)間內(nèi)是22mm，將波形鋼腹板所有垂直方向的線劃分為36段，使用此方式對(duì)對(duì)應(yīng)的單元屬性進(jìn)行定義，選擇梁端當(dāng)中的某一實(shí)際波形鋼腹板，并使用ANSYS進(jìn)行計(jì)算。

通過計(jì)算得出：所選波形鋼腹板的在臨界狀態(tài)時(shí)的荷載大小Q=0.7773.1×1×107=7773.01 kN/m。這一結(jié)果比理論數(shù)值大4.9倍，因此可以得出：實(shí)用計(jì)算公式得出的結(jié)果極具安全性，也十分科學(xué)、合理。

三、結(jié)束語

對(duì)于橋梁波形鋼腹板具備的應(yīng)力還有剪切屈曲承載力進(jìn)行計(jì)算，能夠提升其安全性以及項(xiàng)目質(zhì)量，使用科學(xué)有效的方式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，能夠讓項(xiàng)目的成本減小，施工質(zhì)量得到提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]程坤，桂奇琦，王鵬.波形鋼腹板組合連續(xù)箱梁橋剪力滯效應(yīng)影響因素研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（2）：269-270.

[2]武海鵬，李杰，陳淮.變截面波形鋼腹板組合箱梁剪應(yīng)力及剪力傳遞效率分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2017，38（2）：83-87.

（作者單位：中鐵四局集團(tuán)市政工程有限公司）