波形鋼腹板PC組合箱梁抗剪與抗彎問(wèn)題分析

盛久毅

【摘 要】縱觀可知，體波形鋼腹板PC組合箱梁隸屬于一種新型的鋼混組合結(jié)構(gòu)，在法國(guó)以及日本等國(guó)家廣泛普及應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)意義上的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁而言，此種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)包括受力明確且自身重量輕、施工周期相對(duì)較短且跨越能力較強(qiáng)、造型型態(tài)優(yōu)美等；對(duì)比平鋼腹板組合箱梁，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需進(jìn)行縱向加勁肋設(shè)置來(lái)預(yù)防腹板曲屈。在此，本文將針對(duì)波形鋼腹板組合箱梁抗剪與抗彎問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】波形鋼腹板 組合箱梁 抗彎 抗剪計(jì)算

1前言

近年來(lái)，波形鋼腹板組合箱梁橋以其受力明確、經(jīng)濟(jì)、施工便捷、橋型美觀等多個(gè)方面應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐步得到我國(guó)工程界認(rèn)可。目前，雖然我國(guó)對(duì)該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，但相對(duì)于其它成熟的橋梁結(jié)構(gòu)，不管是計(jì)算理論、還是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都有待進(jìn)一步完善。

波形鋼腹板組合箱梁是將混凝土腹板以波形鋼腹板來(lái)取代，再經(jīng)抗剪連接件將其同混凝土的頂板、底板連結(jié)在一起的一種新型結(jié)構(gòu)，其主要由以下幾部分構(gòu)成，分別為波形鋼腹板、體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力筋以及混凝土頂?shù)装搴蜋M隔板等。由于波形鋼腹板對(duì)軸向力幾乎沒(méi)有抵抗，因而混凝土頂板以及底板所承受的預(yù)加力較多。另外，當(dāng)箱梁的頂板或底板受干燥收縮、徐變后，波形鋼腹板對(duì)由此造成的變形約束力有限，這樣使得預(yù)應(yīng)力損失大大降低。同時(shí)，波形鋼腹板組合箱梁在橋梁施工中有著廣泛應(yīng)用與發(fā)展，但不足之處在于，尚無(wú)具體的橋梁設(shè)計(jì)可參照的統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文將針對(duì)波形鋼腹板組合箱梁抗剪及抗彎問(wèn)題進(jìn)行探討。

2 波形鋼腹板組合箱梁簡(jiǎn)述

波形鋼腹板其最早來(lái)源于集裝箱卡車(chē)，通過(guò)采用波形折板來(lái)加強(qiáng)集裝箱的側(cè)板剛度。隨后，研究人員經(jīng)過(guò)不斷研究波折形狀的有關(guān)參數(shù)，最終得以將研究成果在橋梁施工組合箱梁中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。相較于混凝土腹板箱梁，最大的改變就是把波形鋼腹板用在了橋梁工程中，避免了長(zhǎng)久以來(lái)大量混凝土箱梁腹板開(kāi)裂問(wèn)題。冷彎加工是制造波形鋼腹板的主要工藝，因而制作過(guò)程中必須確保鋼材的抗沖擊性和韌性。

直板段和斜板段是波形鋼腹板的主要組成部分。由圖1可知，直板段的長(zhǎng)度即 以及斜板段的長(zhǎng)度 、波高 和板厚 是幾個(gè)重要的參數(shù)。最大剪力決定了波形鋼腹板板厚程度，通常橋梁施工中所用的波形鋼腹板其板厚度至少在8毫米及以上。

通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁與平鋼腹板組合箱梁、槽形截面鋼箱梁+混凝土橋面板等，波形鋼腹板PC組合箱梁的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)為：自重較低且可實(shí)現(xiàn)良好抗震，受力明確，可將材料性能充分發(fā)揮；使用體外索可實(shí)現(xiàn)便捷替換有利于維修補(bǔ)強(qiáng)，預(yù)防腹板開(kāi)裂并具有良好耐久性；抗剪承載力大大增強(qiáng)，不設(shè)置縱向加勁肋進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腹板厚度的減小，混凝土徐變收縮以及溫度變化不會(huì)對(duì)截面應(yīng)力重新分布產(chǎn)生較大影響；三維柔韌性良好可實(shí)現(xiàn)腹板便捷裝配；所需使用的鋼材數(shù)量相對(duì)較少，對(duì)應(yīng)造價(jià)明顯降低；在連續(xù)剛構(gòu)以及連續(xù)梁等擁有正負(fù)彎矩交替的結(jié)構(gòu)中更為適用，預(yù)應(yīng)力加載效率提升。

3波形鋼腹板組合箱梁抗剪、抗彎與疲勞特性

3.1抗彎

受軸向力的影響，波形鋼腹板能產(chǎn)生巨大變形，這時(shí)鋼板的彈性模量（用E表示）同實(shí)際的軸向彈性模量（用EX表示）比起來(lái)要大。為研究波形鋼腹板的有效彈性模量，選取一單位波長(zhǎng)波形鋼腹板，用H表示波形鋼腹板的高度；h表示波峰和波谷的高度差，即波高；t表示鋼板厚度。

根據(jù)虛功原理，可以獲得受外荷載作用時(shí)鋼腹板軸向變形公式 ，

軸向力P作用于波形鋼腹板的彎矩[1-2]，如圖2所示。

波形鋼腹板軸向變形為： （1）；等長(zhǎng)度平鋼板軸向變形為， （2）。其中，波形鋼腹板抗彎慣性矩為I=Ht3/12，平鋼板的截面面積為A=Ht。根據(jù)EX/E= 2/ 1，把公式（1）和公式（2）代入前式可得出波形鋼腹板的有效彈性模量，即

（3）

對(duì)1200型波形鋼腹板來(lái)說(shuō)，b為330毫米，d為270毫米，h為200毫米，a為330毫米，t為12毫米，將這些數(shù)字代入到公式（3）中，可得出EX=E/611，因此在波形鋼腹板箱梁組合結(jié)構(gòu)的抗彎計(jì)算里，波形鋼腹板的功勞幾乎能夠忽略不計(jì)，因而只需將頂板和底板對(duì)中性軸的抗彎作用考慮進(jìn)去即可，表1是部分已經(jīng)建成的波形鋼腹板箱梁橋的波形腹板縱向剛度計(jì)算實(shí)例對(duì)比。

3.2抗剪

國(guó)內(nèi)外研究證明[3-4]，波形鋼腹板組合箱梁截面的剪力多是通過(guò)波形鋼腹板進(jìn)行承擔(dān)的，沿著腹板高度剪應(yīng)力不會(huì)發(fā)生較大變化，因此能夠看作是均勻分布，順著梁高的剪應(yīng)力如圖3所示，對(duì)應(yīng)公式是：

在此公式中， 為荷載作用下剪力， 是預(yù)應(yīng)力斜鋼筋承擔(dān)的剪力， 表示的是腹板截面面積。由于波形鋼腹板組合箱梁橋的混凝土頂板及底板剪切變形情況引起的撓度相對(duì)較小，通常不予考慮。然而，傳統(tǒng)混凝土箱梁腹板剪切變形引起撓度較小，進(jìn)而能夠忽略不計(jì)，但波形鋼腹板厚度較薄，對(duì)應(yīng)剪切變形導(dǎo)致的撓度很大，通常不能忽視。把平板鋼彎曲成為波形以后，對(duì)應(yīng)剪切模量大大降低，相應(yīng)的剪切模量計(jì)算公式是 ，其中， 表示的是鋼材剪切模量；整個(gè)截面的剪切剛度計(jì)算公式是 。

3.3疲勞性

材料的疲勞損傷可以看作為基于疲勞荷載的不斷循環(huán)導(dǎo)致材料性能發(fā)生逐步退化的進(jìn)程?？v觀整個(gè)過(guò)程，材料的剩余強(qiáng)度處于降低狀態(tài)，一旦其低至循環(huán)應(yīng)力的最大限值時(shí)，則會(huì)形成疲勞損壞情況。事實(shí)上，由于受到重復(fù)荷載作用，材料強(qiáng)度在逐漸衰退的同時(shí)，材料的變形模量、彈性模量、泊松比以及極限壓應(yīng)變等均伴隨著累積疲勞損傷的加大而逐步變化。因此，在對(duì)結(jié)構(gòu)承受疲勞損傷之后的剩余承載能力進(jìn)行合理評(píng)估的時(shí)候，原來(lái)的材料本構(gòu)關(guān)系已經(jīng)難以適用，需要進(jìn)一步研究各材料的退化模式才能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。

研究表明[5]，當(dāng)波形鋼腹板組合箱梁發(fā)生疲勞破壞時(shí)，裂縫部位多形成于波形鋼腹板平行折板以及斜折板相接位置處，這個(gè)位置所形成的軸向剛度突變會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，進(jìn)而催發(fā)疲勞破壞。運(yùn)用翼緣型連接件的波形鋼腹板組合箱梁的腹板及鋼蓋板的應(yīng)力狀態(tài)與波形鋼腹板鋼梁具有一致性。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線以及基于斷裂力學(xué)進(jìn)行S-N曲線計(jì)算合理推導(dǎo)組合箱梁的疲勞損傷時(shí)，所得結(jié)果接近試驗(yàn)值。設(shè)計(jì)波形鋼腹板組合箱梁的過(guò)程中，綜合考慮有限疲勞壽命因素，計(jì)算設(shè)計(jì)建議選用安全性能高的AASHTO規(guī)范中的C類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

4 算例

實(shí)例模型梁全長(zhǎng)為7.8m的簡(jiǎn)支箱梁，計(jì)算跨徑7. 5 m。如圖4所示，梁高480mm，頂板寬度1000mm，底板寬度是550mm，頂板厚度是75mm，底板厚度是70mm。其中，混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度 =23MPa ，采用體外預(yù)應(yīng)力索與體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力筋配束方式。體外預(yù)應(yīng)力索采用直徑15.24 mm 的7 5的鋼絞線12 根，鋼絞線的抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度 =1470MPa ， 抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度 =1000 MPa ， =395mm 。頂板配6 根直徑為12毫米的Ⅱ級(jí)鋼筋作為縱向受力鋼筋， 底板配有8根直徑為16毫米的Ⅱ級(jí)鋼筋作為縱向受力鋼筋， =30mm ， =460mm 。等效矩形應(yīng)力分布的受壓區(qū)高 。頂板有效分布寬度 。截面有效高度 。體外預(yù)應(yīng)力索極限應(yīng)力為 。

圖4結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）

其抗彎承載能力為（綜合考慮偏載效應(yīng)，計(jì)算得出承載能力按90%實(shí)施折減）：

式中：

--普通鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度； --拉區(qū)普通鋼筋面積； --受拉區(qū)普通鋼筋重心至梁上緣的距離； --受壓區(qū)鋼筋重心至頂板上沿距離； ---體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的極限應(yīng)力； --體外預(yù)應(yīng)力鋼筋面積； --體外預(yù)應(yīng)力鋼筋重心至梁上緣的距離； --混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度； --頂板有效分布寬度； --等效矩形應(yīng)力分布的受壓區(qū)高度； 、 ---分別表示混凝土與鋼筋的材料安全系數(shù)，按公路橋規(guī)取 = =1.25。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上可知，波形鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)頗具使用潛力，國(guó)外推廣應(yīng)用該種結(jié)構(gòu)進(jìn)展已經(jīng)十分顯著。我國(guó)現(xiàn)今就此展開(kāi)的研究尚處于起步階段，相關(guān)理論基礎(chǔ)不甚充分，亟待深入開(kāi)展合理有效的課題研究，旨在實(shí)現(xiàn)波形鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)用。

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