波形鋼腹板混凝土組合箱梁基本力學(xué)特點(diǎn)分析

龐 凡，徐明遠(yuǎn)，謝寅濤

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

1 波形鋼腹板PC組合箱梁橋的產(chǎn)生及概況

箱梁的抗彎剛度和抗扭剛度都非常大，能滿足施工過程中的一些穩(wěn)定性要求，因此經(jīng)常被用作大、中跨徑橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。但是普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板面積將會(huì)占到箱梁總截面面積的25%以上，過厚的腹板大大增加了箱梁自重，也降低了橋梁的跨越能力。同時(shí)，由于上部結(jié)構(gòu)過重，也加大了下部結(jié)構(gòu)的尺寸，增大了工程造價(jià)[1]。為解決普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋存在的此類問題，須改用新型結(jié)構(gòu)來減少其梁體的厚度，以減少混凝土及鋼筋的用量。箱梁的頂、底板厚度一般由其抗彎要求決定，受結(jié)構(gòu)承載力和施工過程制約，其厚度的減少空間較小，而腹板面積的減少則完全有可能。鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁便是為實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的輕型化而產(chǎn)生的。

法國(guó)的設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu)首先對(duì)該問題進(jìn)行了大量研究，并提出用平鋼板代替混凝土腹板，并采用體外力預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)梁體施加預(yù)應(yīng)力[2]。

這種鋼腹板組合箱梁的鋼－砼組合結(jié)構(gòu)形式看上去非常合理，并且施工很簡(jiǎn)單，但平鋼腹板承擔(dān)了相當(dāng)大的預(yù)應(yīng)力[3]，對(duì)橋梁的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生了很大浪費(fèi)，直接導(dǎo)致主梁上施加的大部分預(yù)應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)移到鋼腹板上，不僅降低了橋梁主梁的有效預(yù)應(yīng)力，而且會(huì)因防止鋼腹板應(yīng)力過大而發(fā)生屈曲失穩(wěn)，必須要在鋼腹板上增設(shè)加勁肋或增加鋼板厚度。所以這種平鋼腹板結(jié)構(gòu)形式是不合理的。

豎向波形鋼腹板PC組合箱梁以沿橋軸向呈波紋的波紋鋼板（見圖1）來代替箱梁腹板，成功解決了上述平鋼腹板箱梁存在的一系列問題。目前大多數(shù)已建成或在建的波形鋼腹板PC組合梁橋均采用了箱形截面形式，且常用豎向梯形波紋鋼板作腹板（見圖2）。表1給出了國(guó)內(nèi)外修建的五座波形鋼腹板PC混凝土組合梁橋的波形鋼腹板幾何參數(shù)。

圖1 波形鋼腹板組合箱梁

圖2 波形鋼腹板幾何參數(shù)

表1 波形腹板幾何參數(shù)

2 波形鋼腹板PC組合箱梁橋的力學(xué)性能特點(diǎn)

2.1 波形鋼腹板箱梁建?；舅悸?/h3>

本計(jì)算模型波形腹板截面基本尺寸為：長(zhǎng)為1 700mm，高為220mm，水平面板寬為430mm，斜板長(zhǎng)度為370mm，水平折疊角度為34.7°，鋼板厚度為10mm，波形鋼腹板高為1 900mm，端部插入混凝土的深度為200mm，主梁總高為3 000mm（共四個(gè)波段長(zhǎng)）。

本計(jì)算在模型中一共建立了三種單元形式，即波形鋼腹板、貫穿鋼筋和混凝土。為保守起見，只考慮貫穿鋼筋和約束鋼筋的抗剪作用，由混凝土和貫穿鋼筋之間的位移耦合形成波形鋼腹板與混凝土的連接，沒有考慮約束鋼筋的作用。建立箱梁模型時(shí)，只是建立截面1／4結(jié)構(gòu)后加兩個(gè)對(duì)稱約束，形成局部計(jì)算模型，箱梁為完全對(duì)稱截面，所建的ANSYS模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

2.2 波形鋼腹板箱梁局部模型分析計(jì)算

本計(jì)算模型采用三個(gè)荷載工況來分析計(jì)算波形鋼腹板箱梁的整體力學(xué)性能。

2.2.1 純剪應(yīng)力工況

在純剪應(yīng)力工況下，選取三排節(jié)點(diǎn)共120個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均加載集中力7.5k N，加載力總值為120×7.5＝9×102kN，所得模型圖如圖4所示。

圖4 純剪工況模型圖

在此荷載作用下，純剪段（實(shí)際為彎剪）波形鋼腹板的剪應(yīng)力為30MPa左右，而且沿腹板高度方向均勻分布，可得在此段波形鋼腹板所承受的剪力為30×0.01×1.9×103＝570kN，占截面總剪力900kN的65%左右，在此情況下波形鋼腹板的軸向正應(yīng)力大小為5～8M P a。

由此可得出結(jié)論：波形鋼腹板箱梁的剪應(yīng)力基本由波形鋼腹板承擔(dān)，本計(jì)算模型由于混凝土頂?shù)装搴穸热≈迪鄬?duì)較大，且梁高取值較小，波形鋼板所承受剪力占總截面剪力比重還不是很大，如果將主梁的梁體高度提高，則腹板所承擔(dān)的剪應(yīng)力應(yīng)該還會(huì)加大。

2.2.2 彎矩和軸力單獨(dú)作用工況

計(jì)算模型選取截面形心位置的節(jié)點(diǎn)與箱梁周邊節(jié)點(diǎn)形成剛臂，然后在中心節(jié)點(diǎn)位置加彎矩值為2×104kN·m，在模型端部均勻施加荷載105kN／m2。

在彎矩單獨(dú)作用下混凝土頂?shù)装迳系恼龖?yīng)力已經(jīng)超過30.0MPa，而此時(shí)波形鋼腹板的軸向正應(yīng)力還達(dá)不到1.0M P a。在軸向力的單獨(dú)作用下，混凝土頂?shù)装宓膽?yīng)力可以達(dá)到100MPa左右，而波形鋼腹板中部的軸向正應(yīng)力僅為5MPa左右，只是在靠近混凝土的端部受混凝土的影響應(yīng)力較大，軸向正應(yīng)力達(dá)75～100MPa。此處計(jì)算結(jié)果說明，在波形板PC箱梁軸向力作用下波形鋼腹板不能承受軸向力作用，軸向力由混凝土全部承擔(dān)，而且在實(shí)際情況中，混凝土強(qiáng)度從未達(dá)到100MPa。

3 結(jié)論

本文利用有限元軟件建立了波形鋼腹板組合箱梁的局部模型，驗(yàn)證了波形鋼腹板PC組合箱梁的兩個(gè)基本受力特點(diǎn)：a）波形鋼腹板組合箱梁的抗彎主要由頂?shù)装宄袚?dān)；b）波形鋼腹板組合箱梁的抗剪主要由波形鋼腹板承擔(dān)。

故波形鋼腹板PC組合箱梁與傳統(tǒng)PC箱梁相比，有以下幾處優(yōu)點(diǎn)：

a）波形鋼腹板PC組合箱梁恰當(dāng)?shù)貙?、混凝土結(jié)合起來，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度及材料的使用效率，在同等跨徑的情況下可將自重減輕25%左右，節(jié)約成本約25%；

b）有效解決了傳統(tǒng)PC箱梁腹板容易出現(xiàn)斜裂縫的問題；

c）提高了預(yù)應(yīng)力體系的利用效率，減少了預(yù)應(yīng)力鋼筋的使用量，且采用體外預(yù)應(yīng)力筋方便了運(yùn)營(yíng)期間的檢測(cè)維修；

d）由于波形鋼腹板采用工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)拼裝作業(yè)，所以簡(jiǎn)化了施工設(shè)施，加快了施工進(jìn)度。

[1]劉磊，錢冬生.波紋鋼腹板的受力行為[J].鐵道學(xué)報(bào)，2000，22（增刊)：53-56.

[2]蔡千典，冉一元.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力結(jié)合箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的探討[J].橋梁建設(shè)，1994，（1）：26-30.

[3]M.Rosignoli.Prestressed concrete box girder bridge with folded steel plate webs[J].Structures and Buildings，1999，134（1）：77-85.