波形鋼腹板箱梁有效分布寬度分析及節(jié)段模型試驗(yàn)加載控制

【摘 要】為了研究超大斷面波形鋼腹板箱形截面梁這種鋼混組合結(jié)構(gòu)梁的整體承載能力，基于ansys有限元平臺建立32m的等截面波形鋼腹板箱梁，對其鋼混組合結(jié)構(gòu)梁在不同幾何參數(shù)及加載方式下進(jìn)行模型計算和對比，得到了各個不同參數(shù)下縱橋向的坐標(biāo)-應(yīng)力分布曲線，進(jìn)而計算得到了各個敏感參數(shù)對有效分布寬度變化的重要系數(shù)，對于這種鋼混組合結(jié)構(gòu)箱梁的有效分布寬度計算與規(guī)范所給的公式進(jìn)行了對比分析；基于對該結(jié)構(gòu)有效分布寬度的計算，簡化了橋跨節(jié)段模型試驗(yàn)的加載方式，使得加載數(shù)值與實(shí)橋加車狀態(tài)相擬合。結(jié)果表明：波形鋼腹板的厚度，高度對有效分布寬度均有明顯影響；不同加載位置處的有效分布寬度結(jié)果與理論吻合；有限元模型計算所得有效分布寬度小于規(guī)范計算結(jié)果；節(jié)段模型試驗(yàn)加載數(shù)值可根據(jù)有效分布寬度進(jìn)行簡化等效后對控制點(diǎn)施加最不利荷載；

【關(guān)鍵詞】波紋鋼腹板；有效分布寬度

引言

鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)由于其自重小，造價低，良好的受力性能等優(yōu)越性，取得快速發(fā)展，波形鋼腹板PC組合箱梁橋就是其中的一種，該類結(jié)構(gòu)腹板采用波形鋼腹板，頂板及底板采用高強(qiáng)度混凝土，大大提高了材料的使用效率；自從20世紀(jì)80年代，法國建造第一座波形鋼腹板PC組合箱梁橋以來，目前日本已建成約200座該類型的橋梁，其理論和技術(shù)已相當(dāng)完善，我國也開展了波形鋼腹板的研究和建造，相關(guān)理論研究及實(shí)驗(yàn)分析也取得了長足的進(jìn)步；

1.有效分布寬度概念

1.1有效分布寬度的意義.根據(jù)某橋跨截面在橋面板的計算中，板在局部分布荷載P的作用下，不僅直接承壓部分的板帶參加工作，與其相鄰的部分板帶也會分擔(dān)一部分荷載共同參與工作，需要確定所謂板的有效工作寬度a。

1）對板而言，以寬度為a的板條承受總彎矩，既滿足總彎矩的要求。2）對荷載而言，荷載只在a范圍內(nèi)有效且均勻分布，則荷載集度q=p/2ab

1.2有效分布寬度的計算公式.假定在混凝土翼板中，be寬度范圍內(nèi)z向應(yīng)力沿x向不變，恒等于鋼梁中軸線上方的翼緣中z向應(yīng)力，并假定be寬度范圍內(nèi)的z向應(yīng)力的合力等于實(shí)際總寬度為b的翼緣中的z向應(yīng)力的合力，be為混凝土板的有效分布寬度，如圖1中虛線矩形所示，be計算公式如下：

2.1有限元模型的建立

在建立有限元模型過程中，混凝土板采用8節(jié)點(diǎn)鋼筋混凝土實(shí)體單元solid65，每個節(jié)點(diǎn)有三個自由度，即x，y，z三個方向的線位移，波紋鋼腹板采用4節(jié)點(diǎn)彈性殼單元shell63，每個單元有6個自由度，即x，y，z三個方向的平動自由度和繞x，y，z的轉(zhuǎn)動自由度，圖4為整體模型；由于混凝土和鋼腹板之間是通過連接鍵進(jìn)行連接的，假定連接件是固結(jié)，將混凝土和波紋鋼腹板的接觸面進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)的耦合，解決了因混凝土單元和殼單元因自由度不同不能限制轉(zhuǎn)動自由度的問題，如圖5所示。對于鋼腹板和混凝土材料均采用彈性分析，波紋鋼腹板彈性模量取2.06e11Pa，泊松比0.3，混凝土彈性模量取3.45e10Pa。為了使節(jié)段試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆蛎姘寮虞d效果接近實(shí)橋狀態(tài)的受力狀況，根據(jù)單向板要求建立梁段模型l=32m使其長寬比l/b>2.5，總共有10個波紋段，根據(jù)《公路橋涵及通用規(guī)范JTGD60-2004》施加超20級后軸單個車輪重P=70KN，考慮車輪與地面接觸面積0.6×0.2m2。

在對模型進(jìn)行空間分析時，需做如下假定：

不考慮橫隔板影響；

不考慮箱梁沿橋面不對稱荷載；

箱梁橋面板水平，不考慮橫坡；

不考慮鋪裝層厚度；

在ansys模型中改變幾何參數(shù)和加載位置，求出混凝土橋面板的最大正應(yīng)力數(shù)值，繪出沿橋面板縱向的應(yīng)力分布曲線，根據(jù)上式求得橋面板的有效分布寬度。

2.2.波形鋼腹板厚度的影響

選取不同腹板厚度t1=14mmt2=18mm，t2=22mm，選定腹板高度并在跨中施加車輪荷載，得到如圖6所示，有效分布寬度計算得出如圖7所示。

通過應(yīng)力分布曲線可知，隨著波紋鋼腹板厚度的增大，兩支承點(diǎn)的剛度逐漸增大使得橋面板跨中路徑應(yīng)力總和減小，應(yīng)力峰值增大，有效分布寬度逐漸減小，對其數(shù)值計算，腹板厚度每增大1mm，對有效分布寬度減少約有1.3%。

2.3.波紋鋼腹板高度的影響

選取不同腹板高度H1=2.12mm，H2=3.32m，H3=5.10m選定腹板厚度及加載位置，得到如圖8所示，進(jìn)而得出如圖9所示。

通過應(yīng)力分布曲線、有效分布寬度，對其數(shù)值計算可見，腹板高度每增大1m，對其有效分布寬度增大越有12%。

2.4.加載位置的影響

在統(tǒng)一截面梁上分別在橋面板跨中，L/4處，腹板支撐處及翼緣板處施加車輪荷載，由各個應(yīng)力分布曲線計算不同荷載位置處的有效分布寬度，如圖10所示；同時根據(jù)橋梁規(guī)范計算有效分布寬度，繪制單個車輪荷載作用下橋面板有效分布寬度.

由橋梁規(guī)范對于梁式單向板的荷載有效分布寬度作了如下的規(guī)定：

1）當(dāng)個車輪在板的跨徑中部時

由圖11可知，有限元計算值除了懸臂板部分，其余值都比規(guī)范值偏大，可見，規(guī)范值相對于設(shè)計偏安全計算，規(guī)范指出懸臂板跨徑過大時，板在車輪荷載下受力復(fù)雜，故不能使用該公式，一般c值不大于2.5m，該截面懸臂板為3.75m屬于變截面長懸臂板，所以規(guī)范值與實(shí)際值相差較大。

3.節(jié)段模型試驗(yàn)加載方案

考慮到節(jié)段模型試驗(yàn)規(guī)模小而且試驗(yàn)條件的限制，為了在試驗(yàn)中比較合理的擬合實(shí)橋狀態(tài)下橋面的受力狀態(tài)，利用有限元計算得到的有效分布寬度，在實(shí)橋橋面施加多個車輪荷載，將車輪荷載按照有效分布寬度計算到每米板寬的荷載，這樣可以偏安全的進(jìn)行試驗(yàn)而且也簡化加載方式。

對于靠近的而且相同的車輪荷載，其有效分布寬度發(fā)生重疊，可將靠近的荷載一起計算有效分布寬度，為單個車輪下的有效分布寬度，d為重車后軸的軸距，其車輪荷載布置如圖12所示。

根據(jù)如圖13荷載布置下的有效分布寬度分析結(jié)果，為了便于試驗(yàn)的荷載布置，需要對試驗(yàn)荷載進(jìn)行等效簡化的布置，將車輪荷載簡化到每米板寬的均布荷載，根據(jù)不同控制點(diǎn)的影響線對多點(diǎn)荷載布置等效換算為兩點(diǎn)式加載方式，并對節(jié)段模型進(jìn)行中載和偏載工況下的試驗(yàn)，其加載簡化方式分別如圖14，15所示。

根據(jù)上述得出的加載方式，在6.4m長的節(jié)段模型，共有4個波紋段施加該縱向均布荷載，圖16為中載工況下跨中縱向路徑的坐標(biāo)-拉應(yīng)力圖，圖17為偏載工況下支撐點(diǎn)上緣的縱向路徑的坐標(biāo)-拉應(yīng)力圖，故可對此模型進(jìn)行節(jié)段模型試驗(yàn)并按該加載方式進(jìn)行試驗(yàn)加載研究波紋鋼腹板箱梁的承載能力和安全儲備。

通過計算得出橋面板最大橫向拉應(yīng)力小于混凝土開裂應(yīng)力，所以橋面板在最不利車輪荷載作用下是安全可靠的；故可對此模型進(jìn)行節(jié)段模型試驗(yàn)并按該加載方式進(jìn)行試驗(yàn)加載研究波紋鋼腹板箱梁的承載能力和安全儲備。

4結(jié)語

（1）本文通過ansys有限元計算得出波形鋼腹板箱梁在不同腹板厚度，不同腹板高度，不同荷載位置下的縱向應(yīng)力分布曲線，并通過有效分布寬度公式計算相應(yīng)的有效分布寬度，進(jìn)行數(shù)值對比分析，。

（2）對于波形鋼腹板組合箱梁有效分布寬度的影響因素主要有腹板厚度，腹板高度，加載方式，其中腹板厚度每增大1mm，對有效分布寬度減少約有1.3%；腹板高度每增大1m，對其有效分布寬度增大越有12%；單個車輪荷載下對橋面板的有限分布寬度比規(guī)范值較大。

（3）通過有效分布寬度確定每延米橋面的試驗(yàn)荷載，然后根據(jù)影響線等效轉(zhuǎn)化為相應(yīng)控制點(diǎn)的兩點(diǎn)式加載方式，并通過有限元計算橋面板控制點(diǎn)縱橋向的路徑的拉應(yīng)力值，得到橋面板受力是安全可靠的，并能在試驗(yàn)中驗(yàn)證橋面的承載能力極限及安全儲備。