三跨波形钢腹板组合梁桥受力性能分析

三跨波形钢腹板组合梁桥受力性能分析

毛利群

中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司 湖北 武汉 430050

摘 要：本文以某三跨变高度波形钢腹板预应力混凝土组合连续梁桥为背景，对波形钢腹板组合梁桥受力性能进行阐述。采用midas三维空间分析软件对结构进行建模，对该类桥梁的力学特性进行计算分析，对箱梁顶、底板正应力、钢腹板剪切屈曲以及竖向挠度进行验算，以检验此类桥型结构的优势。

关键词：波形钢腹板 预应力混凝土组合梁桥 受力特性 剪切屈曲

1. 前 言

波形钢腹板PC组合箱梁桥的概念起源于法国的，二十世纪80年代末期，法国建造了世界上第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥-Cognac桥，大桥修建以来，其轻巧的结构外形、良好的受力性能和便捷的施工性能受到越来越多工程师们的青睐。随着计算理论和计算技术的改进和发展，波形钢腹板PC组合梁桥得到越来越广泛的应用，其设计、施工技术也在设计与建设中不断发展与完善。20世纪80年代，我国开始对此类桥梁展开研究，参考日本的设计经验，我国首座波形组合钢腹板梁桥于2005年建成，如今已修建完成了100多座波形组合钢腹板-PC梁桥，编制完成了该类型的桥梁的设计和施工规范，并逐步将该项技术运用到大跨度结构形式的桥梁中。

波形钢腹板PC组合箱梁桥最主要的特点是用波形钢腹板取代了混凝土的传统腹板，与上下翼缘组合成新的受力体系，它充分利用混凝土和波形钢腹板组合后自重更轻、施工速度快、预应力效率高、抗震性能好等技术优势，有效避免混凝土箱梁桥运营期常见的腹板开裂问题，同时，波形钢腹板极大地降低了主梁的轴向刚度，腹板对顶、底板纵向变形限制作用较小，从而减小了腹板变形对截面预应力效率的影响。此外，与平钢腹板相比，波形钢腹板横向抗弯能力加强，更加稳定不易屈曲，有利于提高桥梁的跨越能力。

2. 工程概况

本文以三跨波形钢腹板连续梁桥为研究对象，该桥全长165m，跨径布置为（45+75+45）m，双向标准4车道，桥面净宽为24m，设计速度为80km/h，设计荷载为公路-I级，横桥向分左右两幅，两幅桥横向净距1.0m。单幅桥主梁采用单箱单室波形钢腹板PC组合箱梁，主梁顶板宽度11.75m，底板宽6.5m，跨中截面梁高2.8m，混凝土顶板和底板厚度均为28cm，中墩处支点截面梁高5.0m。主梁跨中截面和支点截面示意图如下图1所示。

主梁截面内布置体内束和体外束两种。体内束包括中支点处20根19-φs15.2预应力和边、中跨底板各8根15-φs15.2预应力，体外束布置10根22-φs15.2预应力，采用横梁和横隔板进行转向。

腹板采用1600型波形钢腹板，由Q345qC钢板制成，板厚为7mm，波长1.60m，波高0.22m，水平面板宽0.43m，水平折叠角度为30.7°，弯折半径为15t（t为波形钢腹板厚度），波形钢腹板构造示意图如图2所示。主梁采取双开孔连接形式将波形钢腹板与混凝土顶板连接，波形钢腹板与底板连接采取单开孔埋入式连接形式。

该桥采用对称悬臂浇筑的方式进行施工，全桥纵向共分成39段，最大节段长5.75m，0#块长度为3m，边跨合拢段长度3.2m，中跨合拢段长度3.2m。

图1 1/2主梁标准横断面（单位：cm）

图 2 波形钢板标准波长（单位：mm）

3. 计算假定

波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥按以下假定进行结构分析：

（1）波形钢腹板与混凝土顶、底板共同工作，不会发生相对滑移或剪切连接破坏；

（2）波形钢腹板不承受轴向力，忽略波形钢腹板的纵向弯曲作用，弯矩仅由混凝土顶、底板构成的断面承担；

（3）箱梁纵向弯曲时，符合平截面假定；

（4）竖向剪力全部由波形钢腹板承担，且剪应力沿腹板高度均匀分布。

4. 有限元模型

本桥计算采用Midas Civil建立有限元分析模型，主梁为空间梁单元，共69个节点和54个单元。预应力钢束及边界条件按照桥梁实际建模，按照悬臂施工进行施工阶段分析，分析计算模型如图3所示。

图3 有限元分析模型

5. 结构检算

经检算，基本组合下主梁截面抗弯承载能力满足规范要求。频遇荷载组合下，主梁上下缘均不出现拉应力，正截面和斜截面抗裂满足规范要求。持久状况混凝土无拉应力，上缘最大压应力为10.6MPa，混凝土下缘最大压应力为12.2MPa，小于0.5fck＝17.75MPa，预应力钢筋最大拉应力1206MPa，小于0.65fpk=1209MPa，满足规范要求。短暂状况施工过程中，上下缘均无拉应力，上缘最大压应力为10.8MPa，下缘最大压应力为16.0MPa，小于0.7fck＝24.85MPa，均满足规范要求。汽车荷载作用下结构中跨跨中最大竖向挠度值为35.2mm，边跨跨中最大竖向挠度值为14.9mm，通过换算得出桥梁的跨中断面的长期挠度为34.8mm，小于限值1/600=125mm，满足规范要求。

鉴于波形钢腹板箱梁的受力特点，本文主要对波形钢腹板抗剪强度、稳定性检算进行详细分析。

1）波形钢腹板强度检算

承载能力极限状态下波形钢腹板最大剪应力为142MPa，低于设计剪应力fvd=160MPa，满足规范要求。

2）波形钢腹板的稳定验算

波形钢腹板的稳定验算包括局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲三部分内容，参照广东省地方标准《波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程》，具体计算分析如下。

（1）波形钢腹板的局部屈曲

按下式验算：τ_u≤τ_cr，L

其中：τ_u—极限荷载作用下波形钢腹板的剪应力；

τ_cr，L—局部屈曲临界应力，按下式计算：

其中：τ_y—波形钢腹板剪切屈服应力，取值200.1MPa；λ_s—剪切屈曲参数，λs=

其中：τ^e_cr，L—弹性局部屈曲临界应力，τ^e_cr，L=kπ²E [12(1-μ²)γ²]；k—剪切屈曲系数，k=4.0+5.34/a ²；a—纵横比，a=α/h，且α≤h；h—波形钢腹板高；E—波形钢腹板弹性模量；μ—波形钢腹板泊松比，取0.3；γ—波形钢腹板高厚比，h/t；t-波形钢腹板厚度。

对控制部位的波形钢腹板进行了局部屈曲验算，得出各截面波形钢腹板剪切屈曲参数λ_s均小于0.6，各截面波形钢腹板的局部剪切屈曲应力为200.1MPa，均大于截面平均剪应力，满足规范要求。

（2）波形钢腹板的整体屈曲验算

整体屈曲τcr，G计算公式同局部屈曲τ_cr，L。

弹性整体屈曲临界应力τ^e_cr，G计算公式如下，τ^e_cr，G=36β（EI_y）^1/4（EI_x）^3/4/(h²t)

其中：β—梁段支撑固结度系数，取1.0，认为波纹板在顶底板为简支；I_x—波形钢板沿桥轴向惯性矩，I_x=t³(δ²+1)/ (6η)。δ—波形钢板波高板厚比；η—钢板长度折减系数；I_y—波形钢板高度方向惯性矩，I_y=t³ [12(1-μ²)]。

由以上检算可知，腹板整体屈曲换算长细比最大为0.43，均小于0.6，说明整体屈曲发生在板件剪切屈服之后，极限状态下波形钢腹板的剪应力低于整体屈曲，满足规范要求。

（3）波形钢腹板的组合屈曲

按下式验算：

其中：τ_cr—组合屈曲临界应力。

当局部屈曲、整体屈曲换算长细比均低于0.6时，τcr=0.84τy，对于Q345钢，τcr=0.84×200.1=168MPa。参考《公路钢结构桥梁设计规范》，临界应力采用设计值=标准值/1.25=168/1.25=134.4MPa。通过波形钢腹板组合屈曲应力检算可知，极限状态下波形钢腹板的剪应力均低于局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲临界应力设计值，满足规范要求。

6. 结论

本文以45+75+45m三跨变高度波形钢腹板PC组合梁桥为研究对象，对波形钢腹板PC组合梁桥的力学特性进行了计算分析，对该桥进行了承载能力极限状态和正常使用极限状态验算，竖向挠度验算，对波形钢腹板的剪切屈曲进行了相继验算，计算结果表明，各项指标均满足规范要求。计算过程和计算结果对波形钢腹板PC组合箱梁的推广和应用具有一定的参考和借鉴意义，随着国内对这种结构的深入研究，桥梁结构的跨径更大，主梁结构更轻型化，施工更快速装配化，波形钢腹板组合梁桥的应用优越性将更加明显，具有较好的应用前景。

参考文献：

[1] 中华人民共和国行业推荐性标准.JTG /T D64-01-2015公路钢混组合桥梁设计与施工规范 北京:人民交通出版社，2016.

[2] 中华人民共和国行业标准.JTG 3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 北京:人民交通出版社，2018.

[3] 中华人民共和国行业推荐性标准.JTG D64-01-2015公路钢结构桥梁设计规范 北京:人民交通出版社，2015.

[4] 广东省地方标准. DB44/T 1393--2014波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程 广东省质量出版社，2014.

作者简介：毛利群（1985-），女，工程师，2010年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士。（312006574@qq.com）

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