波形鋼腹板箱梁的腹板受力性能及橋面板橫向內(nèi)力分析

趙 品，榮學(xué)亮，葉見曙，陳 偉，王國安

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

波形鋼腹板箱梁為鋼混組合結(jié)構(gòu)，波形鋼腹板代替了傳統(tǒng)的混凝土腹板，腹板材質(zhì)、形狀改變的同時(shí)，其厚度也降低很多，鋼腹板對橋面板的支撐弱于混凝土腹板對橋面板的支撐.因此，波形鋼腹板組合箱梁橋面板的約束及箱梁閉合框架的畸變、扭轉(zhuǎn)與混凝土箱梁相比均有所不同，波形鋼腹板箱梁橋面板和混凝土箱梁橋面板的橫向內(nèi)力相比會(huì)有所變化[1-9].

文獻(xiàn)[7]基于框架分析法的基本原理，結(jié)合波形鋼腹板箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)特性，建立了適用于其橋面板橫向內(nèi)力的計(jì)算模型，該計(jì)算模型能夠反映橫向框架作用和箱梁畸變效應(yīng)對橋面板橫向內(nèi)力的影響.文獻(xiàn)[8]通過試驗(yàn)研究了波形鋼腹板箱梁橋面板的有效分布寬度變化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)行JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》和有限元結(jié)果，在對3種有效分布寬度計(jì)算值進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)行JTG 3362—2018進(jìn)行修正，得到不同工況下的有效分布寬度修正系數(shù).文獻(xiàn)[10]通過室內(nèi)試驗(yàn)提出了彈性屈曲強(qiáng)度簡化計(jì)算公式，研究了波形鋼腹板的抗剪受力性能.文獻(xiàn)[11]在引入腹板剪切變形轉(zhuǎn)角函數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)能夠考慮波形鋼腹板剪切變形的波形鋼腹板梁理論模型，來研究波形鋼腹板剪切變形對波形鋼腹板梁受力行為的影響.

綜上可知，已有文獻(xiàn)對于波形鋼腹板箱梁橋面板的橫向內(nèi)力計(jì)算和波形鋼腹板的抗剪性能均有研究，但是對于荷載作用下波形鋼腹板箱梁的混凝土橋面板和波形鋼腹板各自的受力特點(diǎn)及其相互影響尚未有分析，為此，通過試驗(yàn)對上述兩種板件的受力進(jìn)行分析，探討該鋼混組合結(jié)構(gòu)中兩種板件的相互影響.

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

JTG 3362—2018分析了主梁與梁肋剛度的對比對橋面板橫向受力的影響，即以固支或簡支兩種方式假設(shè)主梁梁肋對行車道板的支撐，實(shí)際上行車道板和主梁梁肋的支撐條件，既不是固端也不是鉸支，而應(yīng)該考慮是彈性固結(jié)，如圖1所示為豎向荷載p作用下的3種支撐形式.而箱梁橋面板的橫向受力與腹板的約束程度有關(guān)，橋面板的橫向內(nèi)力隨著對其約束的不同而發(fā)生變化.

圖1 主梁扭轉(zhuǎn)對行車道板受力的影響

本研究中將以波形鋼腹板單箱雙室試驗(yàn)梁為研究對象，通過鋼腹板的位移及應(yīng)變實(shí)測數(shù)據(jù)，分析鋼腹板對混凝土橋面板的支撐特點(diǎn).

通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對波形鋼腹板箱梁在橫向不同位置荷載作用下的腹板變形進(jìn)行監(jiān)測，將通過腹板的變形及橋面板的受力對波形鋼腹板箱梁的腹板支撐狀況進(jìn)行深入分析.為確定上述箱梁橋面板的橫向受力，對1片波形鋼腹板試驗(yàn)梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1.1 模型概況

波形鋼腹板單箱雙室試驗(yàn)梁的截面尺寸和配筋如圖2所示.箱梁總長為3 500 mm，計(jì)算跨徑為3 300 mm.橋面板橫斷面寬度為2 000 mm，厚度為80 mm.箱梁混凝土的實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為28.3 MPa，彈性模量Ec=2.8×104MPa.波形鋼腹板采用Q235C鋼板，板高度為300 mm，板厚度為2 mm，折疊角度為37.0°，波的高度為24 mm，波長度為144 mm，試驗(yàn)屈服強(qiáng)度為194.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為295.1 MPa.

圖2 試驗(yàn)加載裝置(單位：mm)

圖3為位移計(jì)和應(yīng)變片布置示意圖[9].試驗(yàn)梁跨中截面的實(shí)測位移結(jié)果如圖4所示.

圖3 位移計(jì)和應(yīng)變片橫向布置示意圖 (單位：mm)

圖4 試驗(yàn)梁跨中截面的實(shí)測位移 (單位：mm)

為了解荷載作用下箱梁框架的整體變形特征，同時(shí)測試波形鋼腹板的側(cè)向位移.在試驗(yàn)條件允許范圍內(nèi)在跨中截面和支點(diǎn)截面的混凝土頂板、混凝土底板、波形鋼腹板上布設(shè)千分表，用以測量腹板的側(cè)向位移[4]，見圖3a.

為測得荷載作用下箱梁頂板的橫向內(nèi)力分布曲線，在橫向加載位置、腹板處的頂板位置等橫向位置均布置了應(yīng)變片，同樣在底板的相應(yīng)位置也布置了應(yīng)變片，見圖3b.

圖4中，由于試驗(yàn)條件的限制，僅測得兩側(cè)邊腹板的側(cè)向變形.單個(gè)數(shù)字為箱梁板件豎向或橫向的位移，對于帶括號的2個(gè)數(shù)字，前者為橫向位移，后者為豎向位移.頂板、腹板及底板的變形均隨著橫向加載位置的不同而變化，箱梁框架整體變形亦隨之改變.

1.2 波形鋼腹板在橫向荷載下的縱、豎向變形

對于單箱雙室箱梁而言，由中腹板、兩側(cè)邊腹板及底板共同形成框架結(jié)構(gòu)來承受作用在箱梁頂板上的荷載.試驗(yàn)對邊腹板、中腹板的縱向及豎向應(yīng)變進(jìn)行了測試，以期對箱梁各腹板的應(yīng)變變化規(guī)律進(jìn)行分析，找出其對頂板橫向受力的影響.以兩種工況加載下的試驗(yàn)梁各個(gè)腹板的縱、豎向應(yīng)變?yōu)橛^測對象測試試驗(yàn).

圖5為試驗(yàn)梁腹板在工況Ⅰ各級加載值下沿腹板高度方向的縱向和豎向應(yīng)變曲線.由圖5可知：遠(yuǎn)離荷載的邊腹板在豎直方向的縱向應(yīng)變均為拉應(yīng)變；近荷載處的邊腹板縱向應(yīng)變亦為拉應(yīng)變；中腹板的縱向應(yīng)變則從上向下由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變;近荷載的邊腹板豎向應(yīng)變均為壓應(yīng)變；而中腹板和遠(yuǎn)離荷載的邊腹板在豎直方向的豎向應(yīng)變由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化成壓應(yīng)變.

圖5 試驗(yàn)梁腹板偏載下的縱、豎向應(yīng)變曲線

圖6為試驗(yàn)梁腹板在工況Ⅱ各級加載值下縱向應(yīng)變和豎向應(yīng)變曲線.由圖6可知：遠(yuǎn)離荷載的邊腹板在豎直方向的縱向應(yīng)變均為壓應(yīng)變；近荷載位置處的邊腹板縱向應(yīng)變則有部分拉應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化成壓應(yīng)變，但是絕大多數(shù)為拉應(yīng)變；遠(yuǎn)離荷載的邊腹板沿豎直方向上的豎向應(yīng)變由上向下從拉應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變；近荷載位置處的邊腹板豎向應(yīng)變則為壓應(yīng)變.

數(shù)據(jù)均使用軟件SPSS22.0進(jìn)行統(tǒng)一處理與分析,組間數(shù)據(jù)有差異性即P<0.05;組間數(shù)據(jù)無差異性即P>0.05。

圖6 試驗(yàn)梁腹板在翼緣端部加載下縱、豎向應(yīng)變曲線

針對腹板豎向應(yīng)變，同一荷載在兩種工況下的中腹板和距離荷載較遠(yuǎn)處邊腹板的豎向應(yīng)變隨高度變化的趨勢一致，兩者同一高度時(shí)的應(yīng)變較接近，但是中腹板豎向應(yīng)變大于遠(yuǎn)離荷載的邊腹板豎向應(yīng)變，與近荷載處的邊腹板豎向應(yīng)變數(shù)值正負(fù)相反.近荷載的邊腹板隨著荷載向翼緣端部移動(dòng)，隨著高度增加豎向壓應(yīng)變絕對值越來越大.

針對腹板縱向應(yīng)變，在兩種工況下遠(yuǎn)離荷載的邊腹板縱向應(yīng)變，隨著高度的降低壓應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變.

針對近荷載的邊腹板縱向應(yīng)變，腹板間加載時(shí)，沿腹板高度方向均為拉應(yīng)變.懸臂翼緣端部加載，腹板上緣均為拉應(yīng)變，腹板下緣均為壓應(yīng)變.

通過對波形鋼腹板單箱雙室箱梁腹板的縱、豎向變形分析，明確了波形鋼腹板對混凝土橋面板的支撐狀態(tài).

2 單箱雙室箱梁橋面板橫向內(nèi)力

表1為波形鋼腹板單箱雙室箱梁橋面板在工況Ⅰ下的跨中橫向應(yīng)力匯總.

表1中，有限元值為采用有限元軟件ANSYS計(jì)算的橫向應(yīng)力值，試驗(yàn)值為本模型試驗(yàn)的橫向應(yīng)力測量值.

表1 工況Ⅰ下單箱雙室箱梁橋面板橫向應(yīng)力匯總

圖7為單點(diǎn)加載時(shí)跨中斷面橋面板橫向應(yīng)力分布曲線.由表1可知橫向應(yīng)力試驗(yàn)值與有限元值較接近，進(jìn)一步證實(shí)圖7中橋面板橫向應(yīng)力分布曲線的正確性.

圖7 單點(diǎn)加載時(shí)跨中斷面橋面板橫向應(yīng)力分布曲線

3 線剛度比對橋面板橫向內(nèi)力的影響

以工況Ⅰ為例，進(jìn)一步研究上述結(jié)構(gòu)的腹板與頂板線剛度比變化對頂板橫向內(nèi)力產(chǎn)生的影響.在試驗(yàn)梁尺寸基礎(chǔ)上變換腹板高度，采用有限元法進(jìn)行參數(shù)分析，荷載作用位置處的橋面板橫向內(nèi)力匯總見表2，表中線剛度比指的是中腹板與頂板線剛度的比值.其中試驗(yàn)梁的腹板與頂板的線剛度比為0.116.

圖8為根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制的試驗(yàn)梁頂板橫向內(nèi)力隨線剛度比的變化曲線.

表2 工況Ⅰ下不同線剛度比時(shí)橋面板橫向內(nèi)力匯總

由圖8可知：波形鋼腹板單箱雙室箱梁的混凝土頂板橫向內(nèi)力隨腹板與頂板線剛度比變化基本呈直線變化；隨著腹板與頂板線剛度比增加，頂板的橫向內(nèi)力隨之減小.

筆者在之前的研究中，針對波形鋼腹板單箱單室箱梁總結(jié)出了腹板與頂板的線剛度比m與橋面板內(nèi)力M的關(guān)系式，將線剛度比對橋面板橫向內(nèi)力的影響以數(shù)值的形式表現(xiàn)出來，以此來表達(dá)腹板對橋面板的支撐特點(diǎn).關(guān)系式如下所示：

(1)

總之，無論單箱單室波形鋼腹板還是單箱雙室波形鋼腹板，在波形鋼腹板箱梁截面上腹板間距確定時(shí)，波形鋼腹板與混凝土頂板的線剛度比是影響橋面板橫向內(nèi)力的重要因素，且變化規(guī)律相同.

4 結(jié) 論

1) 為研究波形鋼腹板箱梁的腹板受力性能、橋面板橫向受力特性及其相互關(guān)系，通過對一片波形鋼腹板單箱雙室模型梁的彈性階段試驗(yàn)，針對波形鋼腹板的縱、豎向變形進(jìn)行了分析，可知邊腹板和中腹板的變形特征，中腹板與邊腹板在變形上的差異及其對橋面板支撐狀況的不同.

2) 無論單箱單室波形鋼腹板箱梁還是單箱雙室波形鋼腹板箱梁，其腹板對頂板的約束程度直接影響到頂板的橫向受力，頂板橫向內(nèi)力隨腹板與頂板線剛度比變化基本呈線性變化.