南昌朝陽大橋波形鋼腹板抗剪力學(xué)性能分析

戴杰吉， 余天慶， 劉耀東， 張若鋼

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢　430068；2 中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

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南昌朝陽大橋波形鋼腹板抗剪力學(xué)性能分析

戴杰吉1， 余天慶1， 劉耀東1， 張若鋼2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢430068；2 中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

利用MIDAS FEA建立朝陽大橋有限元仿真模型，并對比驗(yàn)證了模型的適用性，通過對有限元模型的分析，驗(yàn)證了波形鋼腹板的“手風(fēng)琴”結(jié)構(gòu)效應(yīng)及擬平面假設(shè)，得出波形鋼腹板剪力傳遞能力與混凝土頂板和底板剪力的絕對值大小成反比，并且當(dāng)剪力傳遞能力達(dá)到一定范圍后，波形剛腹板板厚增加并不會很大程度提高剪力傳遞能力，可將剪力傳遞能力范圍在60%～80%作為波形鋼腹板橋梁設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

波形鋼腹板；擬平面假設(shè)；剪力傳遞能力

1　工程概況

朝陽大橋?yàn)榱嗡髅嫘崩瓨?，主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用波形鋼腹板PC組合箱梁，斜拉索為扇形布置，每塔共2×9對索，跨徑布置為75 m+5×150 m+75 m，橋面寬度為37 m，結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)、梁墩分離，梁底設(shè)支座的結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)形式及主梁斷面見圖1、圖2。

圖 1　主橋總體布置圖

圖 2　A-A截面測點(diǎn)位置及編號

2　荷載試驗(yàn)及有限元模型

2.1荷載試驗(yàn)

朝陽大橋設(shè)計(jì)為雙向8車道，通車前對橋梁進(jìn)行了全橋靜載荷載試驗(yàn)，主梁部分監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要包括豎向撓度、混凝土頂板和底板縱向應(yīng)變、波紋鋼腹板剪應(yīng)力。為了驗(yàn)證有限元模型的適用性，考慮實(shí)測數(shù)據(jù)的完整性，選取荷載試驗(yàn)中一個(gè)工況實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算值進(jìn)行對比。該工況為主塔附近最大負(fù)彎矩對稱加載，沿主梁縱向中心線對稱布置4排30 t加載車共30輛，其中1～3排每排對稱布置共8輛，4排對稱布置共6輛，其控制截面A-A及主梁測點(diǎn)布置見圖1、圖2。

2.2有限元模型

采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立分析模型，其中主塔、混凝土頂板和底板采用3D實(shí)體單元，波形鋼腹板采用2D板單元，斜拉鎖采用1D桁架單元進(jìn)行模擬，考慮荷載試驗(yàn)工況的影響范圍及作用位置，只建立19#墩、18#墩橋跨模型(圖1方框范圍)，提取已建好的MIDAS Civil桿系單元全橋模型的邊界條件施加到FEA模型斷面上，實(shí)測數(shù)據(jù)只考慮各測點(diǎn)在工況荷載作用下的增量變化，為了真實(shí)的進(jìn)行模擬，本文分析也只考慮工況荷載作用下的增量對結(jié)構(gòu)的影響。

2.3實(shí)測值與有限元計(jì)算值

提取有限元模型中各測點(diǎn)實(shí)測值與計(jì)算值進(jìn)行對比，對比結(jié)果見圖3、表1和表2。從對比結(jié)果中可以看出撓度實(shí)測值與計(jì)算值的線性幾乎重合，應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果相差不大，趨勢一致，有限元模型較真實(shí)地模擬了實(shí)際情況。

圖 3　試驗(yàn)工況主梁撓度

表 1　A-A截面試驗(yàn)工況應(yīng)變值

表 2　A-A截面試驗(yàn)工況剪應(yīng)力值

3　抗剪力學(xué)性能分析

3.1波形鋼腹板擬平面假定

“手風(fēng)琴”結(jié)構(gòu)效應(yīng)是波形鋼腹板所具有的獨(dú)特特點(diǎn)，使其主要承受剪力、基本不承受彎矩[1]，根據(jù)這一效應(yīng)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)上作用的彎矩主要由混凝土頂板和底板承擔(dān)，因此可以認(rèn)為：混凝土頂板和底板的縱向正應(yīng)變相對波形鋼腹板會大很多，而波形鋼腹板沿高度范圍內(nèi)的應(yīng)變值接近于零[2]。通過施加前文中的荷載試驗(yàn)工況，提取控制截面A-A的應(yīng)變數(shù)據(jù)對這一假定進(jìn)行了驗(yàn)證。

考慮結(jié)構(gòu)及荷載的對稱性，僅提取主梁斷面一側(cè)應(yīng)變值，沿A-A斷面腹板高度方向10等分提取腹板應(yīng)變值、3等分提取混凝土頂板和底板應(yīng)變值，結(jié)果見圖4、圖5、圖6。

圖 4　FB1處正應(yīng)變沿梁高分布圖

圖 5　FB2處正應(yīng)變沿梁高分布圖

圖 6　FB3處正應(yīng)變沿梁高分布圖

從圖4、圖5和圖6可以看出，混凝土頂、底板應(yīng)變明顯大于腹板應(yīng)變，并且腹板應(yīng)變數(shù)值較小，在混凝土頂、底板和腹板的交界處還發(fā)生了明顯的應(yīng)變突變現(xiàn)象，這些都驗(yàn)證了波形鋼腹板所特有的“手風(fēng)琴”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)產(chǎn)生的力學(xué)性能，同時(shí)，如果去掉提取的波形鋼腹板的應(yīng)變點(diǎn)，將混凝土頂板和底板的6個(gè)點(diǎn)相連，可以近似構(gòu)成一條虛擬平面[3]，這也驗(yàn)證了波形鋼腹板組合箱梁的擬平面假定。

3.2剪力分析

波形鋼腹板所承擔(dān)的剪力可以根據(jù)其剪應(yīng)力與波形鋼腹板截面面積的乘積得到[4]，因此可以通過此方法計(jì)算出波形鋼腹板的剪力，并與混凝土頂板和底板所承擔(dān)的剪力進(jìn)行比較，計(jì)算出波形鋼腹板的剪力傳遞能力[5]，即波形鋼腹板所承擔(dān)剪力占腹板及混凝土頂板和底板共同承擔(dān)剪力的比重。通過剪力傳遞能力這一指標(biāo)來分析混凝土頂板和底板所承擔(dān)剪力大小與鋼腹板剪力傳遞能力之間的關(guān)系，以及波形鋼腹板板厚對混凝土剪力傳遞能力的影響。

該橋每跨為9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段懸臂澆筑施工而成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段構(gòu)造相同，為了得到不同混凝土頂板和底板承擔(dān)的剪力值，選取1-9號節(jié)段相同位置斷面共18個(gè)，斷面名稱從左到右分別編號為L1-1～L9-9、R9-9～R1-1(圖1)。

FEA中可以直接提取斷面的混凝土頂板和底板剪力值，但是每個(gè)斷面6道腹板所承擔(dān)的剪力值在FEA中無法直接提取，可以通過提取各道腹板斷面沿腹板高度方向10個(gè)等分點(diǎn)的剪應(yīng)力值，圖7為L1-1斷面腹板剪應(yīng)力沿高度分布規(guī)律，其他截面規(guī)律相同，可以看出腹板剪應(yīng)力沿高度方向基本相等[6]，因此取這10個(gè)點(diǎn)的剪應(yīng)力平均值即為腹板斷面剪應(yīng)力，再乘以相應(yīng)的腹板斷面面積，即得到每道腹板所承擔(dān)的剪力值，將6道腹板的剪力值求出并求和，即為該斷面6道波形鋼腹板所承擔(dān)的剪力總值。在此不作詳細(xì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖 7　L1-1斷面腹板剪應(yīng)力沿高度分布圖

表 3　剪力傳遞能力計(jì)算表

為了便于觀察波箱鋼腹板剪力傳遞能力的規(guī)律，表中數(shù)據(jù)按照混凝土頂板和底板剪力值進(jìn)行排序，混凝土承擔(dān)剪力與剪力傳遞能力對比見圖8。

圖 8　剪力傳遞能力對比圖

從圖8縱向看，左邊負(fù)剪力區(qū)間，L4-4、3-3、2-2、1-1、9-9截面混凝土頂板和底板剪力的絕對值依次從大到小，剪力傳遞能力依次從小到大；右邊正剪力區(qū)間，很明顯的可以看出混凝土頂板和底板剪力值越大，波形鋼腹板剪力傳遞能力越小。從兩區(qū)間總體上看，混凝土頂板和底板剪力的絕對值越大，波形鋼腹板剪力傳遞能力越小。但是從圖中也可以看到，在L5-5、6-6、7-7截面卻并沒有這樣的規(guī)律，這是因?yàn)檫@3個(gè)截面正好處于車輛集中荷載作用處，其混凝土頂板和底板剪力額外增大，從而導(dǎo)致波形鋼判剪力傳遞能力迅速下降，所以其實(shí)質(zhì)依然是混凝土頂板和底板剪力增大，波形鋼腹板剪力傳遞能力減弱。因此在設(shè)計(jì)波形鋼腹板橋梁時(shí)，剪力較小的位置也需要特別注意，這些位置可能會因?yàn)榧袅鬟f能力過大導(dǎo)致腹板承受的剪力過大而破壞。

從圖8豎向看，隨著波形鋼腹板的板厚增加一倍，其剪力傳遞能力除了R1-1以外，均增大， R1-1處之所以減小，也是因?yàn)榛炷另敯搴偷装宄袚?dān)的剪力值變大，從表3橫向上看，依舊可以發(fā)現(xiàn)該規(guī)律。此外，腹板厚度增加一倍，但是剪力傳遞能力并沒有太大的提高，因此，對于波形鋼腹板來說，不是板厚越大越好，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮一個(gè)合適的范圍，從表中可以看出波形鋼腹板剪力傳遞能力在40%～96%之間，其中63%的數(shù)據(jù)分布在60%～80%之間，因此設(shè)計(jì)該類橋梁的時(shí)候，可以考慮將剪力傳遞能力范圍設(shè)在60%～80%。

4　結(jié)論

1)建立了朝陽大橋?qū)嶓w有限元分析模型，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，得出有限元模型能夠較真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況。

2)通過分析沿梁高方向腹板、混凝土頂板和底板的應(yīng)變變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)腹板正應(yīng)變明顯小于混凝土頂板和底板正應(yīng)變，并且在波形鋼腹板與混凝土頂板和底板的結(jié)合處發(fā)生了應(yīng)變突變，這證明了波形鋼腹板“手風(fēng)琴”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即主要承擔(dān)剪力、基本不承擔(dān)彎矩。同時(shí)混凝土頂板和底板的正應(yīng)變雖然在與腹板結(jié)合處發(fā)生了突變，但是混凝土頂板和底板沿梁高方向應(yīng)變依然呈線性分布，滿足擬平面假定。

3)通過選取18個(gè)不同的截面，分析波形鋼腹板的剪力傳遞能力，可以得出波形鋼腹板的剪力傳遞能力與混凝土頂板和底板所承擔(dān)剪力的絕對值大小成反比，因此在設(shè)計(jì)波形鋼腹板橋梁時(shí)，不可忽視這一點(diǎn)：混凝土頂板和底板剪力較小可能會導(dǎo)致波形鋼腹板因剪力傳遞能力過大而承擔(dān)剪力過大導(dǎo)致破壞。

4)通過對比發(fā)現(xiàn)，波形鋼腹板的剪力傳遞能力與波形鋼腹板板厚并不成正比，建議剪力傳遞能力在60%～80%之間，作為波形鋼腹板橋梁設(shè)計(jì)的一個(gè)參考依據(jù)。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

An Analysis on the Shear Mechanics Property of Corrugated Steel Webs in Nanchang Chaoyang Bridge

DAI Jieji1，YU Tianqing1，LIU Yaodong1，ZHANG Ruogang2

(1SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China；2BridgeScienceResearchInstituteLtd.，ChinaRailwayMajorEngineeringGroup，Wuhan430034，China)

Finite element simulation model of Chaoyang Bridge was established with MIDAS FEA, and the applicability of model was compared and verified. The “accordion” structure effect and quasi plane assumption of corrugated steel webs were testified through the analysis of finite element model, and it was concluded that the shear force transmission capacity is inversely proportional to the absolute value of the concrete roof and bottom shear force. Meanwhile, when the shear force transmission capacity reaches a certain range, it may not be improved greatly by increasing the thickness of corrugated steel webs, and the shear force range between 60% to 80% can be taken as the design reference of corrugated steel web bridge.

corrugated steel webs; quasi plane assumption; shear force transmission capacity

2015-09-28

戴杰吉(1990-)， 男， 湖北荊州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄翰『ΡO(jiān)測與修補(bǔ)加固

1003-4684(2016)04-0113-04

TU312

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