波形鋼腹板PC箱梁橋設計方法與受力性能研究

劉杰

(廣州市市政工程設計研究院,廣東廣州 510060)

波形鋼腹板PC箱梁橋設計方法與受力性能研究

劉杰

(廣州市市政工程設計研究院,廣東廣州 510060)

北江四橋南北引橋采用波形鋼腹板組合箱梁橋，該種橋梁具有外形美觀、工程總造價低、抗震性能好、預應力施加效率高、腹板抗剪能力和結構耐久性好、后期張拉換索簡單易行等優點。基于50 m跨徑建立有限元模型,得到全橋縱向內力分布情況。結果表明，各種工況下結構整體受力及屈曲穩定性均滿足規范要求。

波形鋼腹板；屈曲穩定；剪力連接件；有限元分析

0 引言

波形鋼腹板箱梁橋源于法國，近年來在中國得到了深入的研究與廣泛的應用，它是以波形鋼板代替混凝土作為箱梁的腹板并采用體外預應力的新型鋼-混凝土組合結構［1-2］。與傳統的混凝土腹板箱梁相比, 波紋鋼腹板預應力組合箱梁自重較輕，可以提高預應力的效率和減少預應力鋼材用量,波紋鋼腹板對上、下緣混凝土的徐變、干燥收縮變形不起約束作用,體外預應力束可以替換，對以后的維修加固也較方便。

本文針對北江四橋南北引橋設計與計算過程中的截面設計、波紋鋼腹板的受力及屈曲穩定性、剪力連接鍵的設置以及主梁整體結構受力分析等關鍵性問題進行介紹,從而為今后波形鋼腹板預應力組合梁的設計與計算提供參考。

1 工程概況

北江四橋及南北引道工程位于清遠市燕湖新城內，線路規劃為一級公路，設計車速60 km/h。橋梁全長1 452 m (含兩端引橋和主橋)，雙向6車道。其中主橋長418 m，主橋寬42 m；引橋長1 034 m。橋跨布置為4×30 m+8×50 m+100 m+218 m+100 m +5×50 m +8×30 m。引橋30 m及50 m跨徑為現澆預應力混凝土波形鋼腹板組合箱梁橋。主梁為C50混凝土，鋼腹板采用Q345qd鋼材。截面形式見圖1所示。

圖1 橋梁的標準橫斷面圖(單位：cm)

2 波形鋼腹板組合箱梁設計

波形鋼腹板組合箱梁橋的設計主要包括主梁設計、預應力體系設計、波形鋼腹板設計、抗剪連接件設計等。

2.1 主梁設計

引橋50 m跨徑上部單幅箱梁采用單箱三室斷面,箱梁頂寬19.25 m，箱梁底寬13.5 m，翼緣懸臂長2.5 m，懸臂端板厚0.2 m，懸臂根部厚0.5 m。梁高2.8 m，箱梁頂板厚0.27 m，底板厚0. 25 m。由于橋梁較寬，需設橫隔板以增強抗扭剛度和橫向剛度，同時兼做體外束的轉向裝置。根據體外束轉向器的位置及結構受力需要，在每跨各設置3道橫隔板。

2.2 鋼腹板設計

2.2.1 主梁波形鋼腹板構造尺寸

箱梁腹板采用波形鋼腹板,鋼材類型為Q345qD,抗拉強度設計值為275 MPa、抗剪強度設計值為160 MPa。規范規定常用波形鋼腹板的形狀有3種,即1600型、1200型和1000型,波形鋼腹板的波形形狀包括波高、厚度、腹板傾斜角度等,除滿足力學要求外，還應根據施工可行性、經濟性、景觀性等各方面因素考慮。經論證比較,該橋選用1600型，波長為1 600 mm、波高為220 mm、斜板段水平長度為430 mm, 鋼板厚度為16 mm，鋼板高度為1 880 mm。節段之間的鋼腹板連接距離節段劃分線外80 cm。波形鋼腹板構造尺寸如下圖2所示：

圖2 1600型波形鋼腹板大樣圖(單位：mm)

2.2.2 波形鋼腹板局部屈曲穩定驗算

局部屈曲是指波形鋼板在一個波幅內的屈曲，其彈性局部屈曲臨界應力可按下式計算［3］：

式中：k為剪切屈曲系數;E為鋼材的彈性模量;v為鋼材的泊松比;hw為波形鋼腹板高度; tw為波形鋼腹板厚度。

局部屈曲臨界應力應滿足式(2)的要求∶

式中：τy=199.2 MPa。

根據式(1)，計算得本橋彈性局部屈曲臨界應力為1 387 MPa，滿足式(2)設計要求。

2.2.3 波形鋼腹板整體屈曲穩定驗算

整體屈曲是指波形鋼板整體的屈曲，其彈性整體屈曲臨界應力可按下式計算：

式中∶β為波形鋼腹板整體嵌固系數(偏安全取1.0); Ix為單位長度繞波形鋼腹板順橋向中性軸的慣性矩; Iy為單位長度對波形鋼腹板高度方向的慣性矩;

整體屈曲臨界應力應滿足式(4)的要求∶

根據(3)式，計算得本橋彈性整體屈曲臨界應力為4 045.4 MPa，滿足(4)式設計要求。

2.2.4 波形鋼腹板合成屈曲穩定驗算

合成屈曲是指波形鋼板局部屈曲與整體屈曲的復合形式，其屈曲臨界應力可按下式計算：

合成屈曲臨界應力應滿足式(6)的要求∶

根據(5)式，計算得本橋復合屈曲臨界應力為1 382.2 MPa，滿足(6)式設計要求。

2.3 預應力體系設計

2.3.1 預應力鋼束布置

波形鋼腹板箱梁橋梁的縱向預應力筋分為體內束和體外束,體內束布置于頂底板用于承受恒載。體外束用于承受車輛等可變活載。50 m標準跨在頂板布置8束體內束,底板布置12束體內束,頂底板鋼束分別由13及17股直徑為15.2 mm的鋼絞線組成,其標準抗拉強度1 860 MPa,張拉控制應力為1 375 MPa。混凝土強度達到設計強度的90%后,進行預應力束的張拉。該橋每跨共設12束體外束,體外束采用S6型環氧噴涂外包PE防護套的無黏結成品索。鋼束由15-19型的鋼絞線組成,其標準抗拉強度為1 860 MPa,張拉控制應力1 116 MPa，并采用配套的錨具。

2.3.2 減震器設置

體外索的錨固點與彎折點之間或者兩個彎折點之間的自由段長度不宜太長,否則宜設置防震動裝置,以避免微震磨損［4］。規范規定，除非震動分析許可,體外預應力束的自由段長度不應超過8 m，超過時應設置預應力筋的減震裝置。

2.3.3 轉向裝置

該橋結合構造要求，將橫隔板與轉向塊作為一體，體外預應力轉向裝置是體外索在跨徑內唯一與混凝土體有聯系的構件,體外索轉向器的彎曲半徑,就鋼絞線的受力而言越大越好, 但彎曲半徑設定過大,彎向部的尺寸就變大,從而會增加橋梁自重,因此在確保安全的情況下, 轉向器的彎曲半徑要盡量做小。

2.4 抗剪連接件設計

波形鋼腹板與混凝土頂板和底板的連接方式有埋入式連接、角鋼剪力鍵連接、雙PBL鍵連接和單PBL加栓釘鍵連接。該橋采用單PBL和栓釘鍵連接。開孔鋼板及翼緣板厚16 mm,貫穿孔直徑為60 mm,間距150 mm,貫穿鋼筋采用直徑為25 mm的HRB400鋼筋,連接件的開孔鋼板的高度為160 mm,焊釘連接件的焊釘采用M19的普通焊釘,焊釘高150 mm。波形鋼腹板上下翼緣及PBL開孔鋼板連接件每隔2個波長處截斷布置，以減少由翼緣板引起的預應力損失。

3 主梁整體受力性能分析

3.1 有限元計算方法及模型

該文采用橋梁專業軟件進行橋梁整體受力計算,計算時按以下假定進行結構分析，即：(1)波形鋼腹板與混凝土頂底板共同工作，不會發生相對滑移或剪切連接破壞；(2)波形鋼腹板不受軸力，彎矩僅由混凝土頂底板構成的斷面承擔；(3)箱梁縱向彎曲時符合平截面假定；(4)剪力由波形鋼腹板承擔且剪應力均勻分布。全橋共劃分為53個單元，54個節點。計算模型如圖3所示。

圖3 橋梁的有限元模型

3.2 承載能力極限狀態計算結果分析

波形鋼腹板預應力混凝土組合橋梁設計中采用的作用及作用效應組合應符合《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)或《城市橋梁設計規范》(CJJ 11-2011)中的規定。其縱、橫向應根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)的規定進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態計算。在計算中體外預應力鋼筋的張拉控制應力及預應力損失按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)規定采用。作為抗拉鋼筋進行截面抗力計算時，體外預應力鋼筋的極限應力設計值應取其有效預應力值增加100 MPa。根據計算結果，在承載能力極限狀態基本組合下，內力包絡圖如4圖所示。

圖4 承載能力組合下的彎矩包絡圖(單位:kN·m)

經計算跨中抗彎承載力為199 799 kN·m，墩頂處抗彎承載力為118 406 kN·m，結果表明正截面在持久狀況承載能力極限狀態下受力滿足要求。

計算截面偏安全取支座處，其剪力值為18 543 kN，該處波形鋼腹板波的斷面面積為120 320 mm2，則波形鋼腹板的彎曲剪應力為154.1 MPa，小于屈服應力200 MPa，見圖5，滿足規范要求。

3.3 正常使用極限狀態計算結果分析

圖5 承載能力組合下的剪力包絡圖(單位:kN)

波形鋼腹板預應力混凝土組合橋梁正常使用極限狀態設計中采用的作用效應組合應符合長期組合及短期組合。根據計算結果，在長期組合作用下，截面最小壓應力為1.0 MPa，未出現拉應力，在標準組合下，最大壓應力為15.7 MPa，見圖6和圖7滿足規范要求。

圖6 長期荷載組合下的截面正應力值(單位：MPa)

圖7 標準荷載組合下的截面正應力值(單位：MPa)

4 結論

波形鋼腹板組合橋梁較一般預應力混凝土結構具有造型美觀、自重輕等優點，降低了下部結構及工程總費用。通過對北江四橋引橋50 m波形鋼腹板組合箱梁進行設計與受力分析可知，該橋整體計算在各種組合工況下均滿足受力要求。波形鋼腹板在設計荷載下剪應力及各種屈曲穩定性均滿足設計要求。

［1］ 陳宜言. 波形鋼腹板預應力混凝土橋設計與施工 ［M］. 北京∶人民交通出版社, 2009.

［2］ 李淑琴，萬水，張長青.波形鋼腹板設計與制造［M］. 北京∶人民交通出版社, 2011.

［3］ DB 41/T 643-2010，公路波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋設計規范［S］.

［4］ 吳繼峰，湯意.衛河大橋波形鋼腹板箱梁的設計［J］.公路，2010 (1)：57-61.

U442.5

B

1009-7716(2015)08-0040-03

2015-03-31

劉杰(1981-)，男，內蒙古赤峰人，碩士，工程師，從事市政工程結構設計與研究工作。