波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法（精选9篇）

篇1：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

摘 要 钢－混凝土组合结构桥梁在日本和欧美得到了广泛应用，其特点在于它充分利用了混凝土和钢的材料特点。本文通过分析波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的构造特征和力学特性，阐述了这种新型组合结构的设计方法，并介绍了国外的桥梁实例。

关键词 波形钢腹板 预应力混凝土 组合结构 结构设计

1 引言

随着体外预应力技术的日趋成熟和新型建筑材料的发展，许多国家的工程师都在对大跨径桥梁的主梁轻型化问题进行研究。在上世纪八十年代，法国首先设计并建造了以波形钢腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型组合结构桥梁－Cognac桥，其后又相继建造了Maupre高架桥、Asterix桥和Dole等数座波形钢腹板的组合结构桥梁，该形式箱梁的典型结构如图1所示。自上世纪九十年代起，日本也对该类形式的桥梁进行了研究，在参考法国同类桥梁的基础上，先后修建了新开桥、本谷桥、松木七号桥等一系列桥梁，其中有连续梁桥，也有连续刚构桥，拓宽了其使用范围，发展了设计和施工技术。

波形钢板即折叠的钢板，具有较高的剪切屈曲强度，用它作为混凝土箱梁的腹板，不但充分满足了腹板的力学性能要求，而且大幅度减轻了主梁自重，缩减了包括基础在内的下部结构所承受的上部恒载，还省去了施工时在腹板中布置钢筋、设置模板等繁杂的`工作。此外，波形钢板纵向伸缩自由的特点使得其几乎不抵抗轴向力，能更有效地对混凝土桥面板施加预应力，提高了预应力效率。这种组合结构能减少工程量、缩短工期、降低成本，在施工性能和经济性能方面都具有很大的吸引力。

2 设计方法

当桥梁上部采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的结构形式时，和普通的钢筋混凝土箱梁桥一样，其设计需要针对施工和使用阶段的不同要求。施工阶段的计算要结合具体的施工形式，比如，连续梁桥可以采用悬臂施工、顶推法施工或其它的方法，主要的计算荷载有自重、预应力、混凝土不同龄期的收缩徐变、施工荷载等。使用阶段则要考虑汽车荷载、风荷载、温度荷载等。箱梁内通常同时设置体内和体外预应力，由混凝土顶板和底板内的体内预应力抵抗施工荷载和恒载，箱内的体外预应力用来抵抗活载。这样考虑的原因之一，是为了满足更换体外预应力钢束时结构的受力要求。

2．1 纵向抗弯计算

波形钢腹板在轴向力的作用下，轴向变形很大，表现出来的等效弹性模量很小。波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚、波纹形状有关，可由下式计算

Ex＝αE(t／h)2（1）

式中，Ex为等效轴向弹性模量；E为钢材的弹性模量；t为钢板厚度；α为波纹的形状系数。根据此式，日本新开桥Ex＝E／617。已进行的模型实验和有限元计算的结果，进一步证实波形钢腹板在受弯时纵向正应力、正应变很小，可以忽略，即在进行截面抗弯设计时，只考虑混凝土顶板和底板的作用，并近似的认为混凝土顶板和底板内的纵向正应变符合线性分布规律，仍然按照平截面假定计算应力、布置预应力钢束。

2．2 抗扭计算

箱梁在偏心荷载作用下，截面将发生扭转变形。在混凝土腹板箱梁中，扭转的影响并不大，但在波形钢腹板箱梁中，由于腹板的弯曲刚度和混凝土顶板、底板相比小得多，这对截面扭转变形的影响显著增大，会在混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力。到目前为止，关于波形钢腹板箱梁扭转刚度的计算还没有明确的结论。通过对建成的该类桥梁的技术总结和研究，日本工程师上平等人提出了一种计算其抗扭刚度的方法(2) 式中，Jt为抗扭刚度；Am为箱梁的横截面面积；b1为箱体的宽度；h1为波形钢腹板的高度；ns为钢材和混凝土剪切模量的比值；t为构件的厚度；α为修正系数(3)实际设计当中，鉴于截面扭转刚度和横隔板布置有密切关系，在不过于增加主梁自重的前提下，适当增加横隔板数量并调整间距可以有效的保证箱梁抗扭刚度。

2．3 波形钢腹板的应力计算

波形钢腹板主要承受剪应力。在设计中可以偏保守地假定结构所有的剪应力

[1] [2] [3]

篇2：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

波形钢腹板PC组合箱梁桥腹板平板长度的参数分析

采用混合单元建立波形钢腹板体外预应力混凝土简支箱梁桥的.空间有限元计算模型,对腹板剪应力极值、主应力极值和箱梁顶板、底板的正应力极值、主应力极值进行了分析,研究了波形钢腹板平板长度对该种结构受力性能的影响.计算结果表明波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁腹板平板长度与波高之比的合理范围是1.67～2.67.分析结果可以为波形钢腹板箱梁桥的合理设计提供参考.

作 者：牛黎明 杨霞林 NIU Li-ming YANG Xia-lin  作者单位：兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州,730070 刊 名：河南城建学院学报 英文刊名：JOURNAL OF PINGDINGSHAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009 18(3) 分类号：U448.38 关键词：桥梁工程   波形钢腹板   组合箱梁   空间有限元   几何参数  

篇3：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

波形钢腹板预应力混凝土 (PC) 组合箱梁最显著的特点是用波折形钢腹板取代了混凝土腹板, 使箱梁成为由钢筋混凝土和波形钢腹板组成的组合结构。由于用波形钢腹板代替了混凝土腹板, 减轻了PC箱梁的自重, 进而减少了下部结构的工程量, 降低了造价, 而且波形钢腹板具有抗剪强度高、不抵抗轴向力的优点, 提高了预应力的效率;另外在施工中省去了腹板的绑扎钢筋、设置模板等复杂工作, 减少了工程量, 缩短了工期, 降低了成本。本文将以邢台至衡水高速公路邢台段项目上的南水北调大桥为例, 介绍这种新型组合结构桥梁的设计构思和设计方法。

1 工程概述

本桥位于邢台至衡水高速公路邢台段上, 全长268.5m, 跨径组合为 (70+120+70) m, 桥梁跨越南水北调渠, 桥轴线与南水北调渠呈90°。上部结构为 (70+120+70) m的波形钢腹板预应力混凝土变截面连续箱桥;下部结构桥墩采用矩形实体墩, 桥台采用肋板式桥台, 墩台基础均采用桩基础。桥梁平面位于直线上, 纵断面位于R=23000m竖曲线上, 纵坡分别为0.960%、-2.470%。

设计荷载:公路-Ⅰ级。

桥梁宽度:2× (0.5m (防撞护栏) +13.13m (行车道) +0.382m (防撞护栏) ) +0.476m (空) =28.5m。

地震荷载:地震动峰值加速度0.1g。

邢衡高速南水北调大桥的桥型布置图见图1所示。

2 波形钢腹板PC组合箱梁设计

2.1 横断面设计

桥梁上部结构为三跨波形钢腹板预应力混凝土连续组合箱梁, 跨径布置70m+120m+70m。主梁采用单箱单室截面。桥面设置2%横坡, 由箱梁沿顶板顶缘中点旋转形成, 箱梁底板水平设置, 左右幅箱梁关于桥梁中心线对称。单幅桥箱梁宽度为14.012m, 箱梁底板宽度为7.5m。梁高和底板厚度均以2次抛物线的形式由跨中向根部变化, 跨中梁高3.5m, 底板厚度28cm, 根部梁高7.5m, 底板厚80cm。箱梁翼缘悬臂325.6cm, 悬臂端厚度20cm, 悬臂端根部厚度70cm。箱梁在左边跨设置3道横隔板, 在中跨设置4道横隔板, 隔板厚50cm。箱梁在0、1号块波纹腹板内侧设置内衬混凝土。顶、底板采用C55混凝土, 波形钢腹板及抗剪连接构件均采用Q345D钢材。箱梁采用悬臂浇注的施工方法。主桥箱梁除墩顶块件外, 各单“T”箱梁均采用挂篮悬臂浇筑法施工, 分12对梁段, 即2.4m+11×4.8m (沿箱梁中心线分块) 进行对称悬臂浇筑。桥墩墩顶0号块件长6.4m, 中孔合拢段长3.2m, 边孔现浇段长8.2m, 边孔合拢段长3.2m。箱梁一般横断面见图2所示。

2.2 波形钢腹板设计

(1) 波形钢腹板构造尺寸

波形钢腹板的形状是按照剪切屈服前不发生剪切屈曲, 极限荷载作用时不发生剪切屈服, 并考虑桥梁横向刚度等因素确定构造尺寸;其次, 压力机的制作能力、运输尺寸的限制、现场吊装和拼装要求也决定了波形钢腹板的形状;另外, 经济性、景观性等也是决定波形钢腹板形状的条件。波形钢腹板构造大样一般常用为 1600型、1200型、1000型三种形式, 本桥的波形钢腹板构造尺寸1600型, 波长1600mm, 波高220mm, 直线段水平长度为430mm, 斜板段水平长度为370mm, 水平折叠角度为30.7°, 弯折半径为15t (t为波纹钢腹板厚度) 。在工厂加工成长度4800mm的安装构件后, 再运送到场地进行架设安装施工。

根据波形钢腹板的强度和稳定计算, 其厚度采用12mm、16mm、18mm和20mm四种型号。

(2) 波形钢腹板与顶底板混凝土的连接

波形钢腹板与顶底板的连接, 主要作用在传递桥轴方向的剪力, 抵抗由车轮荷载产生的横向顶板角隅弯矩, 是确保波形钢腹板与预应力混凝土顶底板共同受力的关键构造。波形钢腹板与混凝土顶底板的连接应保证在运营寿命期内的耐久性, 故必须能防腐蚀且必须具有较好的对抗因活荷载导致的耐疲劳性, 设计为确保连接的可靠性, 按日本波形钢腹板桥最新设计经验, 波形钢腹板与混凝土顶板的连接采用波形钢腹板顶端焊有翼缘板与穿孔板的Twin-PBL键连接方式, 与底板的连接则采用S-PBL与栓钉连接方式。

(3) 波形钢腹板与横隔的连接

波形钢腹板与横隔的纵向连接按与桥轴方向弯矩伴随产生的竖向剪力来验算, 其连接方式类似于波形钢腹板与混凝土顶底板连接, 设计采用开孔钢板剪力键连接。

(4) 波形钢腹板之间的连接

节段与节段间的波形钢腹板在施工现场高强螺栓加焊接完成。焊接时应采取有效的工艺措施, 确保钢板焊缝质量。

(5) 组合腹板

1号节段与标准波形钢腹板节段之间为平顺剪应力, 传递与承担较大剪应力, 设有钢-混凝土组合腹板, 钢-混凝土组合腹板外侧采用波形钢腹板, 内侧设混凝土内衬。内衬混凝土仅在于加强波形钢腹板抗剪能力, 其自身抗剪力作为安全贮备, 内衬混凝土与波形钢腹板连接采用栓钉连接。

(6) 波形钢腹板的涂装防腐

波形钢腹板的涂装防腐采用如下方案:波形钢腹板除锈后喷铝, 其上涂环氧云铁厚40μm, 再上涂脂肪族聚氨酯50μm。防腐设计寿命不低于25年。

2.3 预应力体系

箱梁纵向预应力采用体内与体外相结合的体系。其中悬臂顶板束、顶板合拢束和底板合拢束均采用体内预应力钢束, 钢束采用19Φs15.2、15Φs15.2等, 锚下控制张拉应力1395MPa。体外预应力钢束采用22Φs15.20类型钢绞线, 锚下控制张拉应力1116MPa。箱梁顶板横向预应力采用3Φs15.2类型钢绞线, 竖向预应力采用8Φs15.20类型钢绞线, 锚下控制张拉应力1395MPa。箱梁悬臂施工和箱梁合拢时的预应力全部采用体内预应力, 以抵抗一期恒载和施临时荷载;箱梁在连续状态下的体外预应力用于抵抗二期恒载和活载。

3 波形钢腹板PC组合箱梁结构计算

总体计算采用平面杆系理论, 主梁为平面梁单元。总体计算根据桥梁施工流程划分结构计算阶段, 根据施工流程中的合拢方法模拟合拢计算步骤, 根据荷载组合要求的内容进行内力、应力、主梁极限承载力计算, 验算结构在施工阶段、运营阶段应力、主梁极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。采用MIDAS空间软件进行计算。计算模型图见图3所示。

承载能力极限状态最不利组合下, 中跨跨中极限承载力最大值为235270.0kN·m, 最不利组合弯矩最大值为206253.5kN·m;中墩支点极限承载力最大值为1164811.5kN·m, 而最不利组合弯矩最大值为748336.9kN·m;正常使用极限状态下主梁按全预应力构件进行设计, 箱梁上下缘未出现拉应力;持久状况标准值组合下受压区混凝土的最大压应力为17.22MPa, 规范限值为0.5fck=17.75MPa。施工阶段主梁正截面最大压应力为13.70 MPa, 小于0.70f′ck=0.70×35.5=24.85MPa, 最大拉应力为0.75MPa, 小于0.70f′tk=0.70×2.74=1.918MPa。波形钢腹板最大剪应力为78.9MPa, 对于Q345D钢材, 厚度t≤16mm时, τα=120MPa;当厚度t>16mm时, τα=113MPa。结构受力均满足要求。

4 结束语

波形钢腹板PC组合箱梁桥具有混凝土腹板桥没有的优点, 充分发挥了各种材料的优势, 并将其有机连接成整体, 越来越多地被国内工程界所重视。邢衡高速南水北调大桥是国内跨径最大的一座高速公路桥, 它的建成对以后桥梁设计和施工可提供宝贵的经验, 也对该桥型的推广应用起到积极的促进作用, 该桥型也是今后桥梁向轻质高强高效发展的一个很好的选择。目前该桥马上进入合拢阶段。

摘要：邢衡高速南水北调大桥是目前高速公路跨径最大的一座波形钢腹板箱梁连续梁桥。介绍了邢衡高速南水北调大桥的主梁结构、波形钢腹板、连接件、防腐等的设计与计算分析。

关键词：连续梁,波形钢腹板,组合箱梁

参考文献

[1]刘岚, 崔铁万.本谷桥的设计与施工-采用悬臂架设施工法的波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥[J].国外桥梁, 1999 (3) .

[2]陈宝春, 黄卿维.波形钢腹板PC箱梁应用综述[J].公路, 2005 (7) .

[3]任红伟, 陈海波, 宋建永.波形钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析[J].公路, 2008, 25 (8) .

[4]吴继峰, 汤意, 吴萍.卫河大桥波形钢板箱梁的设计[J].公路, 2010, 2 (1) .

[5]崔冰, 董萌, 李准华.大跨径变截面波纹钢腹板PC连续梁桥的设计[J].土木工程学报, 2011 (7) .

篇4：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

摘要：随着体外预应力技术的日趋成熟和新型建筑材料的发展，许多国家的工程师都在对大跨径桥梁的主梁轻型化问题进行研究。现如今，钢－混凝土组合结构桥梁在日本和欧美得到了广泛应用，其特点在于它充分利用了混凝土和钢的材料特点。波形钢腹板PC组合箱梁是一种新型的钢—混凝土组合结构，它充分利用钢与混凝土的优点，提高了结构的稳定性、强度及材料的使用效率，并且这种结构外形美观，抗震性能好。本文论述了波形钢腹板PC组合箱梁设计施工方法，为今后波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计和施工提供了宝贵的经验。

关键词：波形钢腹板 箱梁 结构 设计

0 引言

在上世纪八十年代，法国首先设计并建造了以波形钢腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型组合结构桥梁-Cognac桥，其后又相继建造了Maupre高架桥、Asterix桥和Dole等数座波形钢腹板的组合结构桥梁，该形式箱梁的典型结构如图1所示。自上世纪九十年代起，日本也对该类形式的桥梁进行了研究，在参考法国同类桥梁的基础上，先后修建了新开桥、本谷桥、松木七号桥等一系列桥梁，其中有连续梁桥，也有连续刚构桥，拓宽了其使用范围，发展了设计和施工技术。

波形钢板即折叠的钢板，具有较高的剪切屈曲强度，用它作为混凝土箱梁的腹板，不但充分满足了腹板的力学性能要求，而且大幅度减轻了主梁自重，缩减了包括基础在内的下部结构所承受的上部恒载，还省去了施工时在腹板中布置钢筋、设置模板等繁杂的工作。此外，波形钢板纵向伸缩自由的特点使得其几乎不抵抗轴向力，能更有效地对混凝土桥面板施加预应力，提高了预应力效率。这种组合结构能减少工程量、缩短工期、降低成本，在施工性能和经济性能方面都具有很大的吸引力。

1 设计方法

当桥梁上部采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的结构形式时，和普通的钢筋混凝土箱梁桥一样，其设计需要针对施工和使用阶段的不同要求。施工阶段的计算要结合具体的施工形式，比如，连续梁桥可以采用悬臂施工、顶推法施工或其它的方法，主要的计算荷载有自重、预应力、混凝土不同龄期的收缩徐变、施工荷载等。使用阶段则要考虑汽车荷载、风荷载、温度荷载等。箱梁内通常同时设置体内和体外预应力，由混凝土顶板和底板内的体内预应力抵抗施工荷载和恒载，箱内的体外预应力用来抵抗活载。这样考虑的原因之一，是为了满足更换体外预应力钢束时结构的受力要求。

1.1 纵向抗弯计算

波形钢腹板在轴向力的作用下，轴向变形很大，表现出来的等效弹性模量很小。波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚、波纹形状有关，可由下式计算

Ｅx＝αE(ｔ/ｈ)２

式中，Ｅx为等效轴向弹性模量；

E为钢材的弹性模量；

t为钢板厚度；

α为波纹的形状系数。

根据此式，日本新开桥Ex＝E/617。已进行的模型实验和有限元计算的结果，进一步证实波形钢腹板在受弯时纵向正应力、正应变很小，可以忽略，即在进行截面抗弯设计时，只考虑混凝土顶板和底板的作用，并近似的认为混凝土顶板和底板内的纵向正应变符合线性分布规律，仍然按照平截面假定计算应力、布置预应力钢束。

1.2 抗扭计算

箱梁在偏心荷载作用下，截面将发生扭转变形。在混凝土腹板箱梁中，扭转的影响并不大，但在波形钢腹板箱梁中，由于腹板的弯曲刚度和混凝土顶板、底板相比小得多，这对截面扭转变形的影响显著增大，会在混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力。到目前为止，关于波形钢腹板箱梁扭转刚度的计算还没有明确的结论。通过对建成的该类桥梁的技术总结和研究，日本工程师上平等人提出了一种计算其抗扭刚度的方法。

1.3 波形钢腹板的应力计算

波形钢腹板主要承受剪应力。在设计中可以偏保守地假定结构所有的剪应力都由波形钢腹板承受，忽略混凝土顶板和底板对剪应力的抵抗作用，从而计算出波形钢腹板所需的最小厚度。

波形钢腹板不仅承受上述剪应力，同时也承受横向弯曲所引起的弯曲应力，因此必须对波形钢腹板的合成应力进行验算。

1.4 波形钢腹板的屈曲稳定性计算

波形钢腹板的屈曲破坏主要有三种模式。

1.4.1 局部屈曲模式

波形钢腹板的某一个波段部分出现屈曲破坏的现象。

1.4.2 整体屈曲模式

波形钢腹板整体出现屈曲破坏的现象。

1.4.3 合成屈曲模式

波形钢腹板同时出现局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的现象，是处于局部屈曲和整体屈曲中间的屈曲模式。

1.5 波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接

模型实验表明，在加载后期，除了底板横向开裂外，波形钢腹板与底板交界处沿纵向开裂，随着裂缝的发展，结构刚度迅速降低，最终导致破坏，破坏特征为腹板和底板的连接部碎裂。波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接直接关系到结构的承载力，是设计此类桥梁中非常关键的环节。

对于连接部的设计，通常的做法是在波形钢腹板的上下端焊接钢制翼缘板，翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板结合在一起。还可以采用在钢腹板上钻孔，穿过钢筋，再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后埋入混凝土板的做法。在此基础上，还可衍生出其它的连接方法。

2 实例列举

自1993年起，日本从法国引进了波形钢腹板组合结构的技术，目前，日本大力鼓励设计人员在主要高速公路中采用这种结构形式。

正在建设中的中野高架桥是日本关西地区阪神高速公路段的一部分，为采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的四跨连续梁桥。全桥的立面布置见图5。主梁为单箱单室的变高度箱梁，同时设置了体外和体内预应力体系。支点梁高4.0～4.6ｍ，跨中梁高2.0～2.2ｍ，梁高按照二次抛物线变化。波形钢腹板采用抗拉强度490Mpa、抗剪强度205Mpa的耐腐蚀钢板，波长1.2m，波高200mm，钢板厚度9～19mm。为了提高主梁的横向抗变形能力，除在支点和体外预应力的转向处设置横隔板，还在纵向的不同位置加设了横隔板。

该桥的上部结构采用悬臂浇筑法施工，墩顶的0号节段长12ｍ，在墩架上现浇。其余节段分别长3.6ｍ和4.8ｍ，均在挂篮上悬臂浇筑混凝土及拼装钢腹板。

钢－混凝土组合结构桥梁的设计和建造在国内起步比较晚，尤其是本文介绍的波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥在国内尚无实桥。与此同时，法国、德国，尤其是日本相继建设了数座此种类型的桥梁，设计和施工技术日益成熟。波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁，特别适合于中、大跨径的连续梁桥。随着国内对这种结构的研究分析工作的开展，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥将会在我国的桥梁建设中得到应用。

参考文献：

[1]蔡千典,冉一元.波形钢腹板预应力结合箱梁结构特点的探讨.桥梁建设.1994(1):26～30.

[2]李宏江,万水,叶见曙.波形钢腹板PC组合箱梁的结构特点. 公路交通科技.2002(3):52～57.

篇5：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

摘 要：根据国内首座波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁公路桥——泼河大桥的箱梁构造尺寸，设计了足尺模型试验梁，对其力学性能进行了试验研究。测试了波形钢腹板及顶板的混凝土纵向应力分布、挠度以及腹板剪力、体外预应力量等问题。

研究结果表明：波形钢腹板预应力混凝 组合箱梁的混凝土顶板和底板主要承担弯矩，波形钢腹板则主要承担剪力，箱梁的计算挠度应考虑钢腹板剪切变形的影响，混凝土顶板存在明显的剪力滞效应，同时得出在荷载作用下体外预应力增量呈线性变化规律，且应力增量很小。

关键词：桥梁工程；组合箱梁；试验研究；波形钢腹板；

作者：姓名：何飞

学号：20041151019

体外预应力波形钢腹板箱梁是以波形钢板代替混凝土作箱梁的腹板，并采用箱内体外预应力技术的新型组合箱梁。这种结构形式不仅解决了桥梁轻型化问题，而且由于波形钢腹板具有褶皱效应，使得顶板、底板混凝土因徐变、干燥收缩产生的变形不受约束，从而提高了混凝土板内的预应力效率。法国在这方面作了许多创新性工作，并于I986年建成了最早的波形钢腹板说明该箱梁的弹性工作效率较高，更接近设计理论的混凝土处于弹性阶段的假设条件。箱梁在试验荷载作用下没有出现裂缝，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)中对部分预应力混凝土构件的要求。

通过对拼茶河桥进行结构理论计算和实桥静载试验测试，试验结果表明箱梁在预制过程中产生的局部缺陷对结构的整体工作性能影响较小，该梁的实际强度和刚度等主要指标满足设计要求，可投入运营使用。PC组合箱梁桥(Cognac桥)，随后又修建了Maupre高架桥、Asterix桥、Dole桥。德国修建了Altwipferg—rund桥、韩国修建了Ilsun桥、挪威修建了Tronko桥、委内瑞拉修建了Caracas桥、Corniche桥。日本到2002年末为止，已建成18座，在建11座。从已建成的桥型来看，该结构的桥梁已由最初的简支梁，发展为后来的连续刚构、斜拉桥等，截面形式也由等高度发展为不影响桥梁结构的耐久性，建议采用环氧树脂结构胶或环氧砂浆对局部缺陷进行修补。

参考文献：

[1] 中交第一公路勘察设计研究院，江苏省交通规划设计院．

公路桥涵通用图— — 装配式预应力混凝土连续箱梁桥上

部构造(盐城至南通高速公路实施预留六车道专用)[Z]，2004．

[2] 东南大学．拼茶河桥第8—2 箱梁静载试验报告JR]，2004．

[3] 交通部公路科学研究所，等．大跨径混凝土桥梁的试验方

法[R]，1982．

[4] 谌润水，胡钊芳．公路桥梁荷载试验[M]．北京：人民交通

篇6：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

关键词：波形钢腹板,PC组合箱梁,悬臂施工

1 概述

波形钢腹板PC组合箱梁构造简单,结构受力明确。波形钢腹板主要承受由弯矩与扭矩产生的剪应力。除在顶底板中配置预应力束外,还配置体外索承担二期恒载及活载,减轻结构自重。与相同跨径的普通预应力箱梁相比,波形钢腹板的预应力箱梁其自重可减轻25%～30%,缩短施工周期并降低工程造价,因此波形钢腹板预应力箱梁出现后很快就得到了推广应用。

1986年,世界上首座波形钢腹板箱梁桥法国Cognac桥建成。日本自1993年修建了首座波形钢腹板箱梁桥新开桥之后,不断对该结构进行深入的研究,其应用从早期中小跨径的简支梁、连续梁发展到大跨径连续刚构、连续梁桥。随着理论研究与实践经验的不断加深,2003—2006年日本又发展到大跨径部分斜拉桥和斜拉桥,跨径也在不断地刷新。

波形钢腹板PC组合箱梁施工根据桥跨结构及地形,可采取支架现浇、挂篮悬臂浇筑、节段预制拼装、顶推等多种方法施工。本文仅对采用悬臂施工大跨径波形钢腹板PC梁桥的代表工程进行分析介绍,见表1、表2。

2 工程实例介绍

2.1 日见大桥

该桥为世界首例波纹钢腹板部分斜拉桥。主跨为180 m,等截面主梁梁高为4 m,如图2所示。主梁采用预应力箱梁结构,其腹板为波形钢腹板,为减小顶底板的尺寸,也便于预应力筋的检测,纵向预应力采用体外束。其斜拉索挂设张拉滞后挂篮施工,波形钢腹板利用桥面运输车运至挂篮后部,在挂篮顶设起吊桁车辅助安装钢腹板。桥面运输车及挂篮结构如图3、图4所示。

注:表中波形钢腹板参数如图1所示。

2.2 栗东桥

该桥分上、下行两线桥宽均为19.6 m,桥墩高约70 m,主桥桥塔高31m。变截面主梁跨中截面高4.5 m、墩顶处高7.5 m。主梁截面如图5所示。基于减轻自重、提高施工效率及质量、易于未来维修等考虑,该桥采用了波形钢腹板复合式箱形梁配合外置预应力的结构设计。箱梁节段为4.0、4.8 m两种,其4.8 m节段平均工期为18 d,4.0 m段平均工期为14 d。波形钢腹板接合时,外腹板采用焊接,内腹板采用高强螺栓连接。斜拉索的锚固块采用波形钢腹板和隔墙框架一体化的构造。为方便运输,钢制隔墙框架分成8个部分,构件之间用高强螺栓连接。该桥挂篮施工如图6所示。

2.3 矢作川桥

矢作川桥是世界上第一座波形钢腹板PC梁与钢箱梁结合的混合结构桥。该桥采用两塔加中间墩结构,塔高109.6 m。上部结构为结合梁,桥面总宽43.8 m,截面形式如图7所示,其主跨跨径为235 m,主跨中间有137 m钢箱梁(5 m结合段+127 m钢箱梁+5 m结合段),顶底板为混凝土、腹板波纹钢板的单箱5室结构,中间墩部分上部结构为单箱五室钢箱梁。它是目前世界上跨度最大的波形钢腹板混合梁斜拉桥。由于东西两岸施工条件不同,东岸桥塔两侧波形钢腹板采取预制阶段分块吊装方案,西侧桥塔两边采取挂篮对称悬臂浇筑施工。该桥挂篮、提升站、大型移动作业车如图8、图9、图10所示。

2.4 津久见川桥

该桥总宽10.7 m,跨中梁高3.7 m,截面形式如图11所示。该桥是日本首次采用了波形钢板作施工架设材料,其挂篮施工如图12所示。其施工方法称为悬臂施工(传统工法与RW工法的区别如图13所示)。移动作业平台较传统的挂篮更简单、更轻便;顶底板施工安排在不同节段同时进行,因而施工作业面更平顺、宽阔。为简化施工,该桥采用了预制横梁和顶板预制PC模板并全部采用了体外索,将体外索锚固在预制横梁的齿块上,简化了预应力索的锚固工作。

传统工法作业区波形板安装、立模、配筋、混凝土浇筑、预应力均在n节段进行,施工作业面受限,周期长。传统工法受力情况:挂篮较重,施工节段重量较小,力臂较大,波形板不承担施工荷载。RW工法受力情况:挂篮较轻,施工重量较大,力臂较小,波形板承受施工荷载。新工法设计的移动平台,新工法作业区扩大到n-1、n、n+1 3个节段,n+1节段波形板安装、n节段底板施工、n-1节段顶板施工,3个作业面流水施工,使单个梁段施工周期较常规工法节省约5 d时间。

2.5 鄄城黄河桥

单幅上部箱梁为单箱单室,顶宽13.5 m,底宽6.5 m,墩顶根部梁高为7 m,跨中梁高为3.5 m。梁高按2次抛物线变化。箱梁标准节段长4.8 m,最大节段重165 t。

鄄城黄河桥为国内最大规模应用、世界上连续长度最长的波形钢腹板PC组合箱梁桥,亦是国内首次将波形钢腹板PC组合箱梁桥应用于大跨径桥梁,该桥的完工标志着国内波形钢腹板PC梁建设跨上了新台阶。鉴于该桥桥位一部分跨越黄河,一部分为黄河滩地,悬臂施工挂篮基于上述考虑钢腹板吊装安装功能需求,将挂篮分为水中挂篮和陆地挂篮2种形式,水中挂篮钢腹板自栈桥运输至墩旁塔吊处,由塔吊吊至桥面,利用桥面运输车自挂篮后部运输安装,总体挂篮结构类似于加高高度的三角挂篮。陆地挂篮波形钢腹板自黄河滩地运输至挂篮施工正下方,自挂篮前端吊装。挂篮结构类似常规菱形挂篮,在前段增设吊装桁架。该桥挂篮结构如图14、图15所示。

3 总结先进性及创新点

日见桥和栗东桥是波形腹板PC组合梁应用到部分斜拉桥的开山之作,过去的预应力混凝土斜拉桥和部分斜拉桥主梁在斜拉索的锚固区常用混凝土横隔板来加强。日见桥与栗东桥则采用了钢横隔板。钢横隔板主要承担斜拉索的竖向分力,为箱梁提供抗扭刚度,同时对体外索起转向及定位作用。采用钢横梁有利于减轻自重、满足局部受力要求并提高施工效率。与波形钢腹板相得益彰。波形腹板PC梁一般采用单室截面,栗东桥由于桥面较宽,主梁采用了单箱三室截面。在波形腹板PC梁中采用多室截面,这在世界上也是第一次。该桥的建成也验证了通过较少的横隔板增设可以使波形钢腹板PC组合箱梁桥获得与预应力混凝土箱梁桥一致的抗扭刚度。

矢作川桥将波形钢腹板的应该拓展到大跨径斜拉桥,在世界桥梁建设历史中具有里程碑意义,其东侧塔柱范围内的主梁阶段预制分块吊装方案因地制宜、量体裁衣,是参建工程师智慧的结晶。

RW工法虽然施工实例还多应用在垂直钢腹板、桥面宽度较窄的桥形,但其大胆地利用钢腹板的刚度较大这个优势,将挂篮吊架施加在未安装混凝土顶板的钢腹板顶,不失为悬臂施工一个创新性突破。

波形钢腹板PC组合箱梁施工由于结构较复杂,其悬臂施工工期较单一的混凝土或钢结构稍长。连续梁或刚构的波形钢腹板PC组合箱梁悬臂施工节段工期受到腹板高度、梁体分段长度、预应力体系等设计因素影响,部分斜拉桥和斜拉桥波形钢腹板PC组合箱梁悬臂施工虽不采用牵索挂篮,但总体施工进度受塔柱和斜拉索张拉的影响。将斜拉索锚固体系塔端设计为上下连续钢锚箱、梁端设计为钢结构且与箱梁横梁联结为整体,提高体外预应力在箱梁预应力体系的使用比例,能有效缩短施工工期。

4 结语

从波形钢腹板桥梁的建设历史就可以看出法国工程师的创新意识,矢作川桥建设及津久见川桥的RW工法更是日本工程师智慧的结晶。我国在波形钢腹板PC梁建设中正处于摸索阶段,本文归纳这些具有代表性的悬臂施工桥梁方法实例,具有指导意义,希望能给同行提供借鉴和参考,让波形钢腹板PC组合箱梁在我国桥梁建设中得到更广泛的应用。

参考文献

[1]袁智熙,汪元锋.浅谈波形钢腹板PC桥设计与施工[J].湖南交通科技,2012(3).

[2]钱建漳.波形钢腹板预应力混凝土结合形箱梁的发展现状与施工[J].公路交通技术,2006(6).

[3]万水,蒋正国,孟文节.波形钢腹板PC箱梁桥的结构特点与施工[A].第十五届全国结构工程学术会议论文集[C].2006.

篇7：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

摘要：为了研究波形钢腹板箱梁的桥面板有效分布宽度，制作了一片模型试验梁，对其进行了静载非破坏性试验，研究了此种结构桥面板的有效分布宽度变化规律。结合现行公路桥规值和有限元结果，在3种有效分布宽度计算值比较的基础上对现行公路桥规值进行修正，得到了不同工况下的有效分布宽度修正系数。结果表明：按现行公路桥规计算的有效分布宽度值相比试验值、有限元结果略小，应对桥规值乘以大于1.0的修正系数，使之适用于波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算。

关键词：波形钢腹板箱梁；模型试验；桥面板；有效分布宽度；公路桥规

中图分类号：U448.21 文献标识码：A

波形钢腹板箱梁桥面板由波形钢腹板与混凝土板组成的箱梁框架提供弹性约束；波形钢腹板在纵向抗弯刚度、抗剪刚度方面不同于混凝土腹板，与混凝土顶、底板组成的箱梁框架结构的力学特性亦不同于普通混凝土箱梁。与一般的PC箱梁相比，波形钢腹板PC箱梁的抗弯刚度会下降10%，扭转刚度下降60%，剪切刚度下降90%。因此，波形钢腹板箱梁桥面板的横向受力有效分布宽度必然与混凝土箱梁的桥面板存在一定差异。

目前现行公路桥梁规范（简称桥规）均是针对混凝土T梁桥开口截面的桥面板而言的，都对板的支撑边界条件作了或简支或固支的理想假定。但箱梁顶板与腹板间的连接既不是固支，也不是简支，而是弹性固结的。桥规对行车道板横向受力有效分布宽度的规定，没有区别对待箱梁与肋梁式结构而采取统一规定，而波形钢腹板组合箱梁是由混凝土顶板、混凝土底板和波形钢腹板组成的封闭框架结构。对于波形钢腹板箱梁结构桥面板的有效分布宽度计算，直接采用现行公路桥规的计算公式是否可行，值得深入研究。

针对上述问题，本文以桥面板的有效分布宽度问题作为研究对象设计制作了一片单箱双室波形钢腹板试验梁，力求在试验研究分析的基础上给出适用于波形钢腹板箱梁桥面板有效分布宽度的计算方法，为工程实际应用提供参考。

1试验模型

钢筋混凝土肋梁桥桥面板是直接承受车辆轮压的钢筋混凝土板，在构造上桥面板与主梁梁肋和横隔板连接在一起，因此桥面板实际上是周边支撑的板，并有单向板和双向板之分。图1所示的波形钢腹板单箱单室箱梁，通常其横隔板间距l_a与箱梁横断面腹板的间距l_b之比大于等于2，所以称其支撑的桥面板为单向板。

为确定上述单向板的横向受力有效分布宽度大小，对1片波形钢腹板试验梁进行了试验研究。

1.1模型概况

波形钢腹板单箱双室试验梁的截面尺寸和配筋如图2所示。箱梁总长3 500 mm，计算跨径3 300mm；桥面板横断面宽为2 000 mm，厚度为80 mm。箱梁混凝土的实测立方体抗压强度为28.3 MPa，弹性模量E_c=2.8×10⁴MPa。板内横向受力钢筋的配筋为Φ8@80，屈服强度为327 MPa，极限强度为509 MPa，横向钢筋中心距上缘距离为22 mm；板内纵向受力钢筋的配筋为Φ8@200，屈服强度为327MPa，极限强度为509 MPa，纵向钢筋中心距上缘距离为26 mm。波形钢腹板采用Q235C钢板，板高300 mm，板厚2 mm，折叠角度37°，波高24 mm，波长144 mm，具体构造如图3（c）所示；试验屈服强度值为194.5 MPa，抗拉强度值为295.1 MPa。

在钢腹板上下端插入穿透钢筋与混凝土顶板、底板的构造钢筋绑扎在一起来构成整体，如图3（a）所示，其抗剪连接构造如图3（b）所示。

1.2加载布置和测试布置

加载所用条形钢板平面尺寸定为200 mm×200mm，厚度定为10 mm。试验加载装置如图4所示。

本试验为静载作用下的非破坏性试验，利用反力架和油压千斤顶对试验梁进行加载；采用与反力架接触的压力传感器控制试验加载吨位。

为了研究波形钢腹板单箱双室箱梁桥面板在车轮荷载作用下的有效分布宽度值，试验梁的加载桥面板分为箱梁腹板间的桥面板及悬臂板。并针对板的荷载有效分布宽度规定中的一个车轮荷载、两个车轮荷载，设定相应的试验加载工况有纵向单点加载和纵向双点加载（0.5 m分配梁加载），如图4所示。横向加载位置有中腹板处加载（工况工）、A-A截面加载即边腹板与中腹板间的桥面板跨中位置加载（工况Ⅱ）、边腹板处加载（工况Ⅲ）、B-B截面加载即悬臂长度的1/2位置加载（工况Ⅳ）、悬臂翼缘端部加载（工况Ⅴ），如图2（a）所示。加载方式为分级加载，加载最大载荷根据加载工况的不同而异，分别为40，25，20，10，8 kN。

为测得箱梁的横向内力分布曲线，分别在箱梁边腹板、中腹板间的桥面板跨中位置、悬臂长度的1/2位置、悬臂翼缘端部及腹板与顶板相交部位下沿纵向以跨中位置为中心向两侧各1 m长的梁段，每隔20 cm布设一组横向应变片。

在箱梁的跨中及支座位置布设千分表和百分表以测得梁体在加载过程中的支座沉降、挠度及梁体的扭转角位移。

2局部荷载下的桥面板有效分布宽度

在有效分布宽度概念及计算规定的基础上，将模型梁的试验数据按照有效分布宽度定义计算出各工况下的有效分布宽度值。根据桥规中单向板荷载有效分布宽度的几种工况，即：①车轮荷载作用在板跨径中间；②车轮荷载作用在板的支撑处；③车轮荷载靠近板的支撑处。对应的试验工况分别为：工况Ⅰ中腹板处加载即为荷载作用于顶板横截面中心；工况Ⅱ中A-A截面加载即为荷载作用于边、中腹板中间位置的顶板上；工况Ⅲ边腹板处加载即為荷载作用于边腹板位置处的顶板上。同时针对悬臂板荷载有效分布宽度的工况有工况Ⅳ即B-B截面加载，工况Ⅴ即悬臂翼缘端部加载。

按照文献中对行车道板及悬臂板的受力状态描述，令板的计算跨径L为单箱双室箱梁任一室中的两腹板间距，L₀为悬臂翼板的宽度；a₁和b₁分别为试验中条形钢板的平面尺寸。

单点加载时5种横向不同加载位置作用下沿波形钢腹板单箱双室箱梁桥面板纵向的横向应力试验值如图5所示。其中中腹板处加载、A-A截面加载、边腹板处加载时的数值指的是荷载作用位置处的有效分布宽度值；B-B截面加载、悬臂翼缘端部加载时的数值为悬臂翼缘根部的有效分布宽度值。图中沿纵向的横向应力值分布分别对应各工况最大弹性加载值作用下所产生的应力值，不同图中的数据不作对比。

从图5中可看到，由波形钢腹板与混凝土底板所组成的框架结构支撑的混凝土桥面板在荷载作用下的横向应力分布呈曲线形式分布，且在荷载中心处达到最大值。同于普通混凝土桥面板的相应应力分布形式。

在计算局部荷载作用下顶板的有效分布宽度时，可按公式（1）采用测得的混凝土应变积分来求解。

（1）式中：M为局部荷载所产生的沿纵向的横向总弯矩；m_xmax为沿纵向板带的横向单宽弯矩峰值；ε_x为实测的箱梁顶板产生的横向应变值；ε_xmax为实测的箱梁顶板产生的最大横向应变值；a为箱梁顶板有效分布宽度。

可得到图5所示荷载作用下的有效分布宽度计算值，见表1。表1给出了纵向不同位置在单、双点加载方式下的有效分布宽度值。从表1中可看出：荷载由中腹板位置向边腹板位置移动时，有效分布宽度先增大再减小，即中腹板处加载时的有效分布宽度大于边腹板处加载时的相应值；荷载作用于悬臂翼板位置时，翼板端部的有效分布宽度大于悬臂翼板B-B截面的相应值，同于文献[7]的结论。

同一荷载值的双点加载时（即在荷载总值不变的情况下将单点荷载分为间隔为50 cm的双点荷载），5种工况下的有效分布宽度值均大于单点加载时的有效分布宽度值。

3波形钢腹板箱梁桥面板的有效分布宽度分析

3.1试验梁结果

在上述试验梁结果的基础上将分别采用有限元法和桥规方法对波形钢腹板箱梁桥面板的有效分布宽度进行分析。公路桥规对板的支撑边界条件作了或简支或固支的理想假定；而试验方法与有限元法针对单箱双室箱梁结构中的顶板，考虑了波形钢腹板、底板形成的框架结构对顶板的支撑。针对上述两类计算方法原理的差别，本文对试验值、有限元结果及现行公路桥规值进行了对比分析，结果见表2。

其中有限元分析是采用通用软件ANSYS12.0建立试验梁的数值模型，在模型中分别采用实体单元Solid95模拟混凝土顶、底板，板壳单元Shell63模拟波形钢腹板；上述两类单元采用节点耦合法连接。然后根据此模型计算波形钢腹板箱梁桥面板的横向应力值。

因局部荷载值大小对箱梁有效分布宽度值影响很小，故5种不同工况下的有效分布宽度值可做比较。

由表2可知，无论单点加载还是双点加载，按现行公路桥规的计算值、有限元值与试验值的变化趋势相同，即采用前两种方法得出的有效分布宽度值变化规律同于表1的分析结果。

以試验值为基准，通过有限元值、桥规值与试验值的对比可知，有限元结果与试验结果较接近，桥规值相比二者均较小，比较保守。

3.2实桥结果

同时以某实桥为对象分析顶板的有效分布宽度，该桥上部结构形式采用单箱双室波形钢腹板预应力简支组合梁结构，跨径为50 m，具体横断面尺寸见图6。

纵向加载位置为跨中截面附近，横向加载工况同于试验梁中的5种工况。荷载采用公路Ⅱ级加重车后轴中的单个轮载和间距为1.4 m的2个轮载分别作为单点荷载（单轮荷载）、双点荷载（双轮荷载）。

同于试验梁应变片的布置方式，亦分别在实桥箱梁边腹板、中腹板间的桥面板跨中位置、悬臂长度的1/2位置、悬臂翼缘端部及腹板与顶板相交部位下沿纵向每隔2 m布设一组应变片，沿纵向共布设10组。

分别采用有限元法、试验方法和现行公路桥规法对桥面板有效分布宽度进行分析，其结果见表3。相比有限元结果、试验结果均较小，比较保守。

以上述实桥中单室的桥面板在单轮荷载和双轮荷载下修正后的桥规值示于图7。

由图7可见，修正后的有效分布宽度值从板的支撑处到跨径中间仍近似按45°线过渡。

4结论

根据混凝土桥面板横向应力分布和有效分布宽度的综合分析，可得出以下结论：

1）无论是单点加载还是双点加载，现行公路桥规值、有限元值与试验值的结果变化趋势相同，均为：荷载由中腹板位置向边腹板位置移动时，有效分布宽度先增大再减小，即中腹板处加载时的有效分布宽度大于边腹板处加载时的相应值；荷载作用于悬臂翼缘位置时，翼缘端部的有效分布宽度大于悬臂翼缘B-B截面的相应值。

2）我国现行桥规针对混凝土T梁桥开口截面的桥面板而言，假定板的支撑边界条件为简支或固支；而试验方法、有限元法针对单箱双室箱梁结构中的顶板，考虑了波形钢腹板、底板形成的框架结构对顶板的支撑。采用3种计算方法对试验梁、实桥分别进行了分析，得出相同的结论：桥规值相比有限元值、试验值而言比较保守。

篇8：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

波形钢腹板组合箱梁是一种经济、高效、施工简便的新型的钢_混凝土组合结构,波形钢腹板箱梁恰当的将钢、混凝土两种不同材料结合起来,提高了结构稳定性、强度及材料的使用效率,其优点表现在很多方面[1]。

桥梁结构是暴露在大气中的结构物,将受到温度作用的影响,大气中的气温一方面随季节发生周期性的变化,另一方面由于日间太阳辐射和夜间热辐射发散使结构物周围气温随时间波动。因此,温度变化对桥梁结构的影响包括两部分,即年温差影响和局部温差影响。年温差影响,一般假定温度沿结构截面高度方向以均值变化,对无水平约束的结构,年温差只引起结构的均匀伸缩,并不产生结构的温度应力;只有当结构惟一受到约束时才会引起温度次内力。在工程设计中,这种温差产生的内力已给予充分的考虑[2]

太阳辐射是温度作用的另一种形式,它使结构沿高度方向形成非线性的温度梯度,内部产生不均匀的温度场,使结构不仅产生纵向温度应力,而且在横向也产生温度应力。我国桥梁设计规范中已考虑温度梯度对纵向应力的影响,而对箱梁横向应力的影响未作考虑。而对于波形钢腹板组合箱梁这种新型结构,其在温度梯度作用下的横向温度应力分布规律需做进一步的分析研究。因此,对波形钢腹板组合箱梁桥的横向温度应力进行初步探索性的分析是具有实际意义的。

我国对于波形钢腹板组合箱梁桥的相关研究和建造工作开展的较晚,但近年来对波形钢腹板组合箱梁的研究与应用均取得了长足的进步。目前,已建成和在设计的几座大跨度波形钢腹板PC组合箱梁均采用较大的箱室和悬臂。

本文目的是借鉴有关混凝土箱型梁桥温度梯度分布规律的基本理论[3,4],对波形钢腹板箱梁桥顶板上的横向温度应力问题进行分析,并结合案例,与同类混凝土箱梁进行类比,探索温度梯度对波形钢腹板箱梁顶板横向内力影响的规律。

2 理论分析

2.1 计算模式选取

对于波形钢腹板箱梁,由于其钢腹板的存在,对其进行横向温度梯度应力分析时,主要需要考虑两个问题。首先是温度梯度模式如何选取才能接近实际情况,其次是钢腹板在计算中该如何等效,才能方便工程设计。

对于波形钢腹板组合箱梁,其一般断面形式可参见图1。由于其腹板为钢腹板,传热较快,故温度梯度可认为仅仅作用与桥面顶板处。对于温度梯度模式的选取,由于相关资料较少,可参照目前《公路桥涵设计通用规范》(以下简称《通规》)中关于竖向温度梯度的有关规定[5]。《通规》中4.3.10.3条规定:计算桥梁结构由于温度梯度引起的效应时,可按照图2所示的竖向温度梯度曲线进行计算。其中T1、T2的取值与桥面铺装的形式及铺装厚度有关。

在选定了温度梯度计算模式后,可选取纵向单位长度的横向框架模型来计算[6,7]。对于波形钢腹板组合箱梁,由于腹板的纵向褶皱效应,故在进行纵向整体计算时,可不考虑腹板的抗弯作用[8]。而对波形钢腹板组合箱梁进行横向受力分析时,需考虑钢腹板的支撑约束作用,建立横向框架模型时,需对波形钢腹板进行适当的简化。

对于单位波长的波形钢腹板,其对于中性轴的惯性矩可分为两个部分,一是由直板段引起的,另一是由斜板段引起。可以根据惯性矩相等的原则,将单位波长的波形钢腹板予以简化,如图3所示。图中h、t分别为波形钢腹板的高度及厚度,、分别为直板段和斜板段的宽度,、分别为斜板段在桥梁纵向的投影长度及波折高度。两者的计算公式分别如下:

直板段:

斜板段:

一个波长的波形钢腹板对中性轴的总惯性矩为:

对于图3右边所示的等效工字型截面,其绕中性轴的截面惯性矩计算如下:

联立式(3)、式(4)可知,若使Id=I,可得:

综上所述,对于一个完整波长的波形钢腹板,其平面外刚度可通过一个工字型截面来等效,其中工字型截面的上、下翼缘宽度为波形钢腹板的直板段长度,翼板厚度取波形板自身厚度,工字型截面腹板高度取波形钢腹板波高,厚度取波形钢腹板厚度值的2倍[9]。

3 算例计算分析

3.1 算例概述

参考某正在设计的波形钢腹板PC组合箱梁桥截面形式,取其跨中断面进行横向温度应力分析。为了与普通PC箱梁进行对比,同时也将钢腹板替换为混凝土腹板进行温度应力分析。为了简化分析,将顶板简化为等厚度的板,计算模型如图4。

混凝土顶板宽16m,一边悬臂长度为4m,顶板厚度为0.4m,波形钢腹板采用1600标准型。腹板高度h1=3.5m,厚度为t1=12mm,直板段宽度aw=0.43m,斜板段水平投影长度为bw=0.37m,垂直投影长度(波高)dw=0.22m。混凝土腹板高度为h2=3.5m,厚度t2=0.4m。计算时考虑波形钢腹板单位波长的等效的方便性,纵向框架的单位长度b=1.6m。取桥面铺装为10cm沥青混凝土铺装层。故根据《规范》,T1=14℃,T2=5.5℃,A=300mm。计算时,近似认为,底板对于腹板的嵌固作用近似于固结。计算主要考虑了温度梯度效应引起的箱梁横向的自应力以及由于腹板约束所产生的次应力。

3.2 温度自应力计算

由于选定的温度梯度模式为双折线型,非线性温度在顶板上产生的自由变形,受到梁体纤维的约束,将在顶板内产生温度自约束应力。温度自应力计算图示如图5所示。

沿顶板高的截面各点温度自应力:

式中,

以上式中,α为材料的膨胀系数;σs0为温度梯度产生的自应力;ε0为沿顶板y=0处的应变;φ为变形后的曲率;E为材料的弹性模量;I1为箱梁顶板对截面重心轴的惯性矩;A为截面面积;T(y)为垂直温度梯度分布函数。

将上述算例中截面数据以及温度梯度函数带入式(2)~式(4)计算可得:

将式(9)、式(10)带入式(6)可计算得箱梁顶板截面上、下缘由温度梯度引起的温度自应力分别为-1.294MPa,-0.43MPa。计算表明,非线性温度梯度将引起截面的自约束应力,应力大小与温度梯度模式、顶板厚度、弹性模量有直接关系,与腹板刚度无关系。对于波形钢腹板组合箱梁,其温度梯度产生的自应力与普通预应力混凝土箱梁完全相同。

3.3 温度次应力计算

由于腹板约束的存在,导致箱梁顶板在温度梯度作用下的变形受到约束,从而产生约束应力。这是箱梁温度应力的重要组成部分之一。对于温度次应力的计算,可通过结构力学的方法计算出多余约束产生的内力,由内力计算出应力后,与上述计算所得的温度自约束应力叠加便得到温度梯度产生的横向总应力。

对于上述算例,可用位移法得到基本结构如图6所示。为了简化计算,考虑底板对腹板的约束为固结。结构多余约束基本变量有腹板与顶板交接处的横向位移Δ以及转角θ。

根据基本结构可建立结构位移法方程:

式中,E1,E2分别为顶板、腹板弹性模量;I1,I2为顶板、腹板的惯性矩;h为腹板高度;L为腹板中心间距;A为顶板截面面积。

为了考察波形钢腹板组合箱梁与普通混凝土箱梁在温度梯度下次内力的变化规律[10],计算时,取常用的波形钢腹板厚度从12mm变化到24mm,混凝土腹板厚度从0.4m变化到1m,计算得到波形钢腹板组合箱梁顶板温度应力如表1所示,混凝土箱梁顶板温度应力如表2所示。

注:应力合计包括温度梯度产生的自应力以及多余约束产生的次应力。

注:应力合计包括温度梯度产生的自应力以及多余约束产生的次应力。

从表1看出,正的温度梯度的次内力使得桥面顶板上缘受压,下缘受拉。随着波形钢腹板厚度的增加,腹板对顶板变形的约束作用增强,温度梯度对顶板产生的次轴力和次弯矩都有所增加。

从表2看出,正的温度梯度同样也使得混凝土桥面板上缘受压,下缘受拉,且由于腹板约束作用较强,温度次应力较大。且随着腹板厚度的增加,温度次应力也随之增大。

综合表1、表2计算结果可看出:在正的温度梯度的作用下,混凝土顶板截面上缘压应力比波形钢腹板组合箱梁顶板上缘压应力增大约50%,截面下缘拉应力也有较大程度的增加。同理可推论,在负的温度梯度作用下,波形钢腹板组合箱梁对温度变化的应力改变要小于同类型的混凝土箱梁。

4 小结

本文在采用刚性支承框架分析法的基础上,结合现有规范关于桥梁结构温度梯度的相关规定,对波形钢腹板组合箱梁的横向温度应力进行了计算分析,并与普通的混凝土箱梁作比较,得到以下结论:

1)对于波形钢腹板组合箱梁,进行箱梁横向分析时,可根据腹板平面外抗弯刚度相等的原则等效为工字型截面进行简化计算。

2)非线性温度梯度将引起截面的自约束应力,应力大小与温度梯度模式,顶板厚度、弹性模量有直接关系,与腹板刚度无关系。对于波形钢腹板组合箱梁,其温度梯度产生的自应力与普通混凝土的计算完全相同。

3)通过位移法对温度梯度产生的结构次内力进行求解,计算结果表明,由于波形钢腹板对顶板的变形约束作用较弱,在桥梁结构非线性温度作用下,波形钢腹板组合箱梁的应力变化较普通混凝土箱梁要小。

4)从温度梯度引起的应力角度来看,对于防止箱梁顶板下缘出现纵向裂缝,波形钢腹板组合箱梁在此方面具有一定的优势。

参考文献

[1]徐强,万水.波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用[M].北京:人民交通出版社,2009.[1]徐强,万水.波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]罗旗帜.箱型梁桥顶板上的横向温度应力分析[J].武汉城市建设学院学报[J].1992(9):1-2.[2]罗旗帜.箱型梁桥顶板上的横向温度应力分析[J].武汉城市建设学院学报[J].1992(9):1-2.

[3]Elbadry M,Ghali A.Thermal Stresses and Cracking of ConcreteBridges[J].Journal of the America Concrete Institute,1986,83(6):1001-1009.[3]Elbadry M,Ghali A.Thermal Stresses and Cracking of ConcreteBridges[J].Journal of the America Concrete Institute,1986,83(6):1001-1009.

[4]Barsotti R,Froli M.Statistic alanalysis of thermal actionsona concrete segmental box 2 girder Bridge[J].Journal of the InternationalAssociationfor Bridge and Structural Engineering,2000,10(1):111-116.[4]Barsotti R,Froli M.Statistic alanalysis of thermal actionsona concrete segmental box 2 girder Bridge[J].Journal of the InternationalAssociationfor Bridge and Structural Engineering,2000,10(1):111-116.

[5]JTGD60—2004公路桥涵设计通用规范[S].[5]JTGD60—2004公路桥涵设计通用规范[S].

[6]邵旭东,李立峰,鲍卫刚.混凝土箱型梁横向温度应力分析[J].重庆交通学院学报,2000,19(4):1.[6]邵旭东,李立峰,鲍卫刚.混凝土箱型梁横向温度应力分析[J].重庆交通学院学报,2000,19(4):1.

[7]郭金琼,房贞政,郑振.箱型梁设计理论[M].北京:人民交通出版社,2008.[7]郭金琼,房贞政,郑振.箱型梁设计理论[M].北京:人民交通出版社,2008.

[8]李宏江,万水,叶见曙.波形钢腹板PC组合箱梁的结构特点[J].公路交通科技,2002,19(3).[8]李宏江,万水,叶见曙.波形钢腹板PC组合箱梁的结构特点[J].公路交通科技,2002,19(3).

[9]黄浩,杨丙文,万水.波形钢腹板箱梁横向设计分析[C].第20届全国结构工程学术会议论文集.2011.[9]黄浩,杨丙文,万水.波形钢腹板箱梁横向设计分析[C].第20届全国结构工程学术会议论文集.2011.

篇9：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

1 静载试验

1.1 桥梁概况

该桥为单箱单室等截面波形钢腹板EPF组合连续箱梁, 主跨结构为 (30+48+30) m, 每个墩台顶上设置1道端横隔板, 中跨设置2道、边跨设置1道中横隔板, 横隔板兼具体外预应力转向器及锚固器的作用。设计荷载等级:公路-I级。顶板及底板采用C50混凝土, 腹板采用Q345耐候钢, 外涂防腐涂料, 体外束采用公称直径15.24mm钢绞线。

1.2 测点布置

本桥的测试截面一共布置了6个截面, 包括1个边跨支点、1个中跨支点、1个边跨跨中截面、1个中跨跨中截面, 边跨及中跨四分点截面各1个, 每个截面都测试应变和挠度, 测试截面布置如图1所示。混凝土顶、底板主要测试的是混凝土纵桥向正应力, 以期望得出混凝土顶底板正应力的大小及横桥向分布, 而折形钢腹板则是沿高度方向等间距布置了3个测点, 测试折形钢腹板的竖向剪应力。采用电阻应变片测试, 其中混凝土上的应变片沿纵桥向粘贴, 而钢腹板上的应变片沿竖直方向粘贴, 部分位置粘贴数码应变计与应变片测试结果对比。其中1号墩附近、第2孔1/4点及跨中处钢腹板均贴有应变片。测点布置如图2所示。

1.3 加载方案

测试过程中选用四辆加载车, 分三级加载 (汽车空载、半载、满载) , 每辆车满载约300kN。本次测试纵向载位一共3种, 即边跨跨中、中跨跨中及边中跨支点部位。横向载位一共2种工况, 分中载工况与边载工况, 共计6个工况。中载工况布置如图3、图4所示, 偏载工况如图5、图6所示。

1.4 试验过程

每种工况分3级加载, 每级加载完成并稳定后采集试验数据, 包括挠度与应变采集, 应变采集见图7、图8。

1.5 静载试验结果分析

根据对试验数据的分析, 选取中跨中载与中跨偏载工况下跨中截面的挠度与应力值, 绘制曲线, 见图9、图12;选取中支点中载加载工况下支点附近腹板剪应力数据, 绘制曲线, 见图13、图14。

根据以上数据图形变化结果分析, 其挠度、应力变化趋势基本呈线性, 表明结构在试验荷载的作用下基本处于弹性变化阶段, 与试验预期理论计算结果基本相符。

2 动载试验

2.1 冲击系数

冲击系数μ可根据控制截面测点在跳车试验时记录的动应变或动挠度曲线进行分析处理而得, 见图15, 由实测数据可知实测冲击系数:1+μ= (1.3+0.24) /1.3=1.18, 即μ=0.18。

动挠度曲线见图15。

2.2 自振频率、阻尼比

采用模态分析系统对采集数据进行分析, 可得该桥自振频率和阻尼比, 结果见表1。

2.3 模态分析

模态分析采用有限元计算, 主要是取前5阶模态。一阶竖向自振模态如图17所示, 自振频率为3.279Hz, 而实测值为3.13Hz, 实测值与计算值接近, 二阶竖向自振模态如图18所示, 自振频率为6.228Hz, 而实测值为5.03Hz, 实测值与理论值较为接近。

3 试验检测结论

通过实桥静载和动载试验两项内容以及有限元分析比较, 可以得出以下结论:静载试验测试挠度与计算分析结果吻合良好, 并且均满足规范要求;静载试验测试应变, 基本反映了实桥的受力情况, 并且与计算结果趋势一致, 应力变化值在容许范围内;动载试验测试冲击系数、阻尼比以及结构的自振特性, 同计算结果比较基本吻合, 符合普通箱型桥梁动力特性规律。

本次试验检测反映出该桥具有较好的受力性能, 作为一种新颖的桥梁结构形式, 在工程实践中可以有条件推荐使用。

摘要：采用试验与计算分析相结合的方法, 对波形钢腹板EPF组合箱梁的力学性能进行了分析研究。通过静载试验得到桥梁在试验荷载作用下的挠度曲线及应力分布, 通过动载试验得到试验梁前5阶模态、最大动挠度。试验结果表明:在实验荷载作用下各工况实测挠度满足规范要求;控制截面实测应力曲线变化趋势与计算值趋势基本吻合;冲击系数、阻尼比以及结构的自振特性同计算结果比较基本吻合。

关键词：桥梁工程,波形钢腹板,EPF组合箱梁桥,静载试验

参考文献

[1]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京:人民交通出版社, 2002.

[2]JTG D60-2004, 公路桥涵设计通用规范[S].