單箱多室波紋鋼腹板PC組合箱梁橋混凝土組合段布置方式研究

梁遠(yuǎn)森 王會(huì)龍 高夢(mèng)起,2

（1．鄭州城建集團(tuán)投資有限公司，河南 鄭州 450000；2．鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000）

21世紀(jì)以來，隨著我國波紋鋼腹板組合梁相關(guān)研究理論的日漸成熟和工程經(jīng)驗(yàn)的不斷累積以及設(shè)計(jì)水平的進(jìn)一步創(chuàng)新提高，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋已逐漸開始向大跨度、幅面寬等復(fù)雜形式橋型發(fā)展。因此，為了適應(yīng)市政道路等對(duì)橋面寬度的硬性需求指標(biāo)，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋開始逐漸采用單箱多室的截面形式[1-5]。國內(nèi)對(duì)波紋鋼腹板混凝土組合段的研究主要是單箱單室組合梁的形式，而對(duì)于單箱多室波紋鋼腹板PC組合箱梁橋的研究還非常少，其具體的受力機(jī)理和受力情況尚未完全明確。國內(nèi)已建和在建的單箱多室波紋鋼腹板PC組合箱梁的混凝土組合段形式主要是在外側(cè)波紋鋼腹板的內(nèi)測(cè)設(shè)置內(nèi)襯混凝土，在內(nèi)測(cè)波紋鋼腹板的兩側(cè)均布置混凝土組合段。

但這種組合形式同樣在工程中給施工帶來了諸多不便，如不方便搭設(shè)模板，澆筑混凝土?xí)r振搗困難、容易發(fā)生炸模等現(xiàn)象，因此，研究單箱多室波紋鋼腹板組合梁的組合段內(nèi)襯混凝土布置形式，為工程設(shè)計(jì)、施工提供有力依據(jù)。

文章以鄭州市南三環(huán)東延線（經(jīng)開第五大街—107輔道段）波紋鋼腹板PC組合箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯績(jī)?nèi)襯混凝土的設(shè)置方式對(duì)單箱八室波紋鋼腹板PC組合箱梁橋受力性能的影響。

1 工程概況

鄭州市南三環(huán)東延線工程（經(jīng)開第五大街至107輔道），橋梁全長(zhǎng)8 695.1 m。南三環(huán)主線為雙向6車道的高架快速路，107輔道為雙向8車道的高架快速路。南三環(huán)高架與107輔道高架相交后形成立交，第一層為南三環(huán)地面道路107輔道地面道路平交，南三環(huán)高架位于第二層，107輔道位于第三層，WN匝道和NW匝道位于第四層；其余匝道根據(jù)溝通情況布置。

工程范圍內(nèi)，南三環(huán)高架西起經(jīng)開第五大街（NSHK3+932.148），向東依次跨越經(jīng)開第五大街、經(jīng)開第六大街、經(jīng)開第七大街、經(jīng)開第八大街、經(jīng)開第九大街、經(jīng)開第十大街以及107輔道地面道路后，在高鐵前落地（NSHK6+214.548）；其中包含H、I兩條上下匝道。

該橋采用38+56+38波紋鋼腹板PC箱梁，梁高2～3.2 m，波紋鋼腹板采用1200型，為工廠加工成型。

2 有限元模擬

為了研究組合段布置形式對(duì)于波紋腹板橋梁受力的影響，采用MIDAS/FEA有限元軟件對(duì)其進(jìn)行建模，對(duì)于波紋鋼腹板箱梁橋，由于頂?shù)装迨怯苫炷翝仓?，而腹板是鋼板拼接，且腹板厚度隨著梁高而發(fā)生變化，在用建模時(shí)采用兩種不同類型的單元來共同模擬波紋鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)。這兩種單元分別是：三維實(shí)體單元和板單元。建立的有限元模型如下圖所示，考慮到模型梁高和底板均為按照Y=1.2/(25.5^2)*X^2拋物線變化，實(shí)體、鋼腹板以及預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用自動(dòng)網(wǎng)格功能進(jìn)行劃分。

混凝土頂?shù)装宀捎萌S實(shí)體單元來模擬，劃分實(shí)體網(wǎng)格時(shí)，由于該橋是變截面連續(xù)梁橋，不宜采用映射網(wǎng)格劃分，故采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分（六面體單元，具有單元數(shù)少，傳力效率高，計(jì)算精度好等優(yōu)點(diǎn)）。該橋梁波紋鋼腹板厚度為12～16 mm，采用板單元模擬波紋鋼腹板。

通過設(shè)置兩組對(duì)比情況：（1）內(nèi)測(cè)波紋鋼腹板的兩側(cè)均設(shè)置混凝土組合段。（2）所有波紋鋼腹板均單側(cè)布置混凝土組合段。

3 模擬結(jié)果

3.1 豎向位移對(duì)比

該波紋鋼腹板PC組合箱梁橋在承受體內(nèi)預(yù)應(yīng)力、體外預(yù)應(yīng)力及自重荷載作用下，將兩種混凝土組合段布置形式的豎向位移進(jìn)行模擬分析并進(jìn)行對(duì)比，箱梁橋橫向截面一共分為12個(gè)測(cè)點(diǎn)，并分別取邊跨跨中豎向位移以及中跨跨中位移進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 豎向位移對(duì)比曲線

通過圖1對(duì)比分析可知，在預(yù)應(yīng)力作用、自重作用的情況下，雙側(cè)布置混凝土組合段以及單側(cè)布置兩種情況該橋邊跨跨中豎向位移相差很小，邊跨跨中豎向位移均在-2～-3 mm之間，中跨跨中豎向位移均在9～10 mm之間，單側(cè)布置與雙側(cè)布置情況下產(chǎn)生的豎向位移均在工程允許范圍之內(nèi)。

3.2 豎向剪應(yīng)力對(duì)比

為了更好地比較兩種情況下波紋鋼腹板受力特征，現(xiàn)將組合段波紋鋼腹板應(yīng)力狀態(tài)單獨(dú)析取，從而進(jìn)行對(duì)比如下。

圖2 剪應(yīng)力對(duì)比曲線

通過圖2對(duì)比分析可知，在預(yù)應(yīng)力作用、自重作用的情況下，雙側(cè)布置混凝土組合段以及單側(cè)布置兩種情況該橋邊跨橫梁支座附近剪應(yīng)力相差很小，邊跨組合段處波紋鋼腹板上剪應(yīng)力均在6～7 MPa之間，中跨跨中豎向位移均在10～11 MPa之間，單側(cè)布置與雙側(cè)布置情況下產(chǎn)生的豎向剪應(yīng)力均遠(yuǎn)低于波紋鋼腹板剪應(yīng)力容許值，在工程允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

通過對(duì)比分析兩種形式的波紋鋼腹板組合梁組合段布置在橋梁預(yù)應(yīng)力、自重情況下的豎向位移、剪應(yīng)力分布情況，認(rèn)為該橋支座附近組合段波紋鋼腹板上承擔(dān)剪應(yīng)力較小，兩種形式下相差不大，建議減少腹板兩側(cè)組合段布置，可適當(dāng)采用單側(cè)布置形式，以減少施工工序，節(jié)約施工時(shí)間，同時(shí)，建議繼續(xù)研究組合段混凝土布置尺寸（長(zhǎng)短、高度）等對(duì)橋梁整體撓度以及波紋鋼腹板抗剪性能的影響，發(fā)展預(yù)制裝配化波紋鋼腹板組合箱梁，加快推進(jìn)我國波紋鋼腹板PC組合箱梁的推廣應(yīng)用。