橫隔板數量對波形鋼腹板PC組合箱梁抗扭剛度的影響

2011-09-06 06:16:56王兆勛

黑龍江交通科技 2011年6期

王兆勛

(同濟大學)

王兆勛

(同濟大學)

摘要:通過有限元的方法，采用Abaqus計算軟件，研究了橫隔板數量對波形鋼腹板PC組合箱梁抗扭剛度的影響。研究后發現，當梁高跨比較大時，增加橫隔板數量，可以一定程度上提高梁的抗扭剛度;當高跨比較小時，增加橫隔板數量對梁的抗扭剛度影響不大。

關鍵詞:波形鋼腹板PC組合梁;波形鋼腹板;抗扭剛度;橫隔板;高跨比

波形鋼腹板PC組合箱梁是20世紀80年代首先應用于橋梁上的新型組合結構，該結構構造詳見圖1。這種結構以波形鋼板代替混凝土作為箱梁的腹板，并采用箱內體外預應力技術，實現了主梁的輕型化，增大了梁的跨越能力，順應現代預應力混凝土PC箱梁的發展潮流。

波形鋼腹板PC組合箱梁與傳統混凝土箱梁相比，主要有如下三方面優點:(1)采用波形鋼腹板代替混凝土腹板使上部結構自重減輕，進而有效減少下部結構的工程量，使工程總造價得以降低;(2)波形鋼腹板軸向剛度很小，不具有抵抗軸向變形的能力，可使預應力有效地施加于混凝土頂、底板，提高了預應力的導入效率;(3)波形鋼腹板箱梁施工過程中，可以減少大量的模板、支架和混凝土澆筑工程，免除在混凝土腹板內預埋管道的繁雜工藝，從而方便了施工，縮短了工期。

圖1 波形鋼腹板PC組合箱梁

1 計算模型

1.1 基本尺寸

梁總長320 cm，梁高45 cm，頂板寬204 cm、厚9 cm，底板寬98 cm、厚9 cm，箱梁沿縱向設置橫隔板，橫隔板厚10 cm，混凝土標號為 C40，其鋼筋骨架由 Φ8、Φ10、Φ14及預應力鋼筋組成。試驗梁采用的波紋鋼腹板厚2.5 mm，彎折角度37°，波長193 mm，波高35 mm，鋼材采用優質Q235，波形鋼腹板尺寸詳見圖2。梁的約束形式為一端固定，另一端自由。

圖2 波形鋼腹板幾何尺寸圖

1.2 連接形式

梁頂、底板與波形鋼腹板的連接形式，采用嵌入型連接鍵。其中結合棒采用Φ10鋼筋焊接于波形鋼腹板上，穿透鋼筋采用Φ8鋼筋，穿過事先在波形鋼腹板上打的孔洞，波形鋼腹板與端橫隔板的連接采用在波形板上打孔，并穿入Φ8穿透鋼筋的連接方式，見圖3。與中橫隔板的連接則采用栓釘連接方式，栓釘Φ10×50 mm，見圖4。

圖3 連接形式

圖4 波形鋼板與端橫隔板連接

1.3 預應力筋

預應力筋采用體內和體外預應力混合布置的形式。體內預應力在頂板上呈直線布置，體外預應力以中橫隔板為轉向塊，在立面上呈折線布置，體內、外預應力各4束，型號均采用7Φj15.24鋼絞線。

2 波形鋼腹板PC組合梁抗扭剛度的有限元分析

采用三維有限元軟件ABAQUS進行分析。混凝土頂底板采用三維實體單元，波形鋼腹板采用板殼單元，鋼筋采用桿單元進行模擬。為保證波形鋼腹板與混凝土頂、底板之間的平動和轉動一致，并且兩者間的應力能夠實現傳遞，用ABAQUS中interaction模塊的shell to solid功能進行連接部位模擬。預應力的模擬可以通過者降溫法實現，預應力施加水平為4 MPa。

2.1 單元的選取及網格劃分

頂、底板混凝土結構采用三維實體單元(C3D8)，板波形鋼腹板采用殼單元(S4R)，預應力鋼筋及普通鋼筋采用三維桿單元模擬桿單元(T3D2)。共劃分了13 040個單元。網格尺寸大小為1.5 cm;桿單元32個，其中體內索單元24個，體外索單元8個。

2.2 邊界條件模擬及材料特性

梁模型是懸臂梁構件，將有限元模型的固定端截面上各個節點的三個平動自由度和轉動自由度完全約束，即可達到與實際中相同的效果。混凝土的彈性模量3.25×104MPa，泊松比為0.2;波形鋼板及鋼筋的彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3;預應力鋼絞線的彈性模量為1.95×105MPa。

2.3 加載方式

荷載采用偏心集中荷載形式，加載點位于梁懸臂端。加載點在梁懸臂端橫截面位置見圖5。在彈性范圍內加載至60 kN。

圖5 加載點沿橫截面布置圖

3 波形鋼腹板組合梁橫板數量對梁抗扭剛度的影響

運用ABAQUS軟件對三根不同長度但等截面懸臂梁進行橫隔板間距的參數分析，以研究不同橫隔板對梁抗扭剛度的影響。梁的截面尺寸見圖2a，梁的長度分別為3.2 m、5.4 m、9 m，其高跨比分別為 1/7、1/12、1/20，梁的約束形式仍為一端固定、一端自由。在進行參數分析時，在梁跨內均勻布置橫隔板，研究在偏心60 kN荷載作用下懸臂端底板的偏轉量。試驗梁無中橫隔和跨中均布四道橫隔這兩種情況的有限元模型沿縱軸線剖開的剖面圖。

采用ABAQUS有限元計算軟件，分別計算不同橫隔板數量的三根梁懸臂端的偏轉量，然后代入式子(1)，便可得到不同橫隔板數量不同梁的抗扭剛度的增大系數β。

由表1可以看出，當波形鋼腹板組合箱梁的高跨比較大時，設置中橫隔對箱梁抗扭剛度提高的效果比較明顯，試驗梁(高跨比1/7)在設置一道中橫隔后的抗扭剛度相比與不設置中橫隔時的抗扭剛度提高了19.72%，但當橫隔板設置的數量達到一定的程度時，即使再增加橫隔板的設置，對抗扭剛度的影響也不大。從表2和表3可以看出，當波形鋼腹板箱梁的高跨比較小時，通常橫隔板的設置對波形鋼腹板箱梁抗扭剛度的提高不大。如當高跨比為1/12時，即使設置的橫隔板間距只有梁高的兩倍，其抗扭剛度相對于不設置中橫隔時的抗扭剛度僅提高了9.71%。只有當橫隔板的設置間距達到與梁高相當的時候，抗扭剛度的提高才達到10%以上。由以上分析可知，在梁高跨比較大時，通過增加橫隔板數量，可以一定程度上提高梁的抗扭剛度。