波紋鋼腹板的剪切屈曲荷載影響因素分析

孫建民

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

0 前 言

目前使用波紋鋼腹板材料作為橋梁結(jié)構(gòu)是一種新型的橋梁，其具有輕質(zhì)的的特性，從而降低了主橋梁的自身重量，可以替代原有的混凝土腹板材料橋梁。

以前常采用線性理論來分析波形鋼腹板的剪切屈曲模式和極限荷載，但是它完全沒有考慮材料的塑性和初始幾何缺陷的影響。本文通過對(duì)預(yù)應(yīng)力波紋鋼腹板的腹板厚度、波高、斜板傾角等參數(shù)的變化分析，得出這些參數(shù)對(duì)波紋鋼腹板屈曲的影響，旨在對(duì)波紋鋼腹板主梁的合理設(shè)計(jì)提供參考

1 屈曲強(qiáng)度計(jì)算理論

假設(shè)波形鋼腹板的平板是相互分離，且是簡(jiǎn)支鋼板條，計(jì)算局部屈曲強(qiáng)度公式

式中:b 為平板長(zhǎng)度，(平板長(zhǎng)度≥斜板長(zhǎng)度);t 為波形鋼腹板厚度;ν 為泊松比。

k 為剪切屈曲系數(shù)，令α=hw/w 有:

波紋鋼腹板整體彈性屈曲強(qiáng)度計(jì)算公式(Bergmann －Reissne)

式中:Dx為X 坐標(biāo)單位長(zhǎng)度抗彎剛度;Dy為Y 坐標(biāo)單位長(zhǎng)度抗彎剛度;t 為波形鋼腹板的厚度;hw為波形鋼腹板高。

2 空間有限元模型

波紋鋼腹板的剪切屈曲極限荷載力與腹板的大小和形狀有直接的關(guān)系，理論設(shè)定初始幾何變形幅值:腹板短邊長(zhǎng)度的1/1 000 取值，分析其波紋的波高和水平面板寬度等形狀因素，找到屈曲荷載的變化規(guī)律。

2.1 板厚變化

波形鋼腹板的形狀如圖1 所示，波形鋼腹板波長(zhǎng)取值q=1 600 mm，波高為hf=220 mm，直板段寬b =430 mm，斜板傾角為θ =30.7°。板厚分別為6. 0 mm，8. 0 mm，10. 0 mm，12.0 mm，14.0 mm 和16.0 mm，分析板厚對(duì)屈曲荷載的影響，其他參數(shù)保持不變。

通過分析，橋梁結(jié)構(gòu)剪切破壞的關(guān)鍵是剪切屈曲，與材料剪切屈服強(qiáng)度關(guān)系不大，所以在剪切屈服強(qiáng)度的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)，可以加大橋梁結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。

2.2 波高變化

通過分析，在保持傾角不變的前提下控制波高并確保斜板寬度小于直板段寬度，這樣可以防止屈曲過早發(fā)生破壞。

圖1 波形鋼腹板波紋形狀圖

2.3 斜板傾角變化

通過分析，斜板傾角的變化對(duì)于波形鋼腹板的極限屈曲應(yīng)力的影響較大，傾角越大屈曲應(yīng)力越大，所以在實(shí)際建設(shè)中，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡量增大斜板傾角可以提高波形鋼腹板的結(jié)構(gòu)性能。

2.4 直板段寬度變化

通過分析，平板寬度取值330 mm、430 mm、480 mm、530 mm、630 mm，分別對(duì)相應(yīng)長(zhǎng)度的波形鋼腹板屈曲極限應(yīng)力以及對(duì)應(yīng)的最大屈曲位移進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)論波形鋼腹板的水平段長(zhǎng)度480 mm，因?yàn)槿绻蕉伍L(zhǎng)度超過這個(gè)范圍會(huì)發(fā)生局部屈曲破壞。相對(duì)于波形鋼腹板的水平段長(zhǎng)度其寬度的影響可以忽略不計(jì)。

2.5 梁高變化

表1 梁高變化

通過表1 分析，提高截面屈曲抗剪承載力的方法可以通過適當(dāng)?shù)脑龃罅焊?，但是增大梁高的時(shí)候要注意實(shí)際橋梁的設(shè)計(jì)需求和環(huán)境因素，相比增大梁高，增大橫隔板間距的影響可以忽略不計(jì)。

3 結(jié) 論

(1)波紋鋼腹板的板厚不斷的增加，其屈曲破壞的變形也就不斷加大，屈曲控制從局部到整體蔓延。

(2)需要確保斜板寬度小于直板段寬度，這樣可以防止屈曲過早發(fā)生破壞，控制方法是保持傾角不變的前提下控制波高。

(3)保證波形鋼腹板的水平段長(zhǎng)度480 mm，因?yàn)槿绻蕉伍L(zhǎng)度超過這個(gè)范圍會(huì)發(fā)生局部屈曲破壞。相對(duì)于波形鋼腹板的水平段長(zhǎng)度其寬度的影響可以忽略不計(jì)。

(4)提高截面屈曲抗剪承載力的方法可以通過適當(dāng)?shù)脑龃罅焊?，但是增大梁高的時(shí)候要注意實(shí)際橋梁的設(shè)計(jì)需求和環(huán)境因素，相比增大梁高，增大橫隔板間距的影響可以忽略不計(jì)。