波形鋼腹板箱梁橋靜力性能研究

吳 帥

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

現代橋梁中，預應力鋼筋混凝土箱梁橋是目前最常見、應用最廣泛的一種橋梁形式。但隨著橋梁跨越能力的提升，橋梁的跨徑逐漸增大，上部結構的重量也在迅速增大[1]。在大跨徑橋梁中，橋梁的自重荷載過大對橋梁自身內力造成一定的影響[2-5]。為減輕橋梁自重，提升橋梁的跨越能力，各國橋梁專家進行了較為豐富的理論分析與試驗研究，并提出了一種改變傳統箱梁橋結構形式的方法[6-7]。采用一種沿縱橋向呈褶皺狀的鋼腹板替代傳統的混凝土腹板，并在預應力技術上創新性的采用體內預應力技術與體外預應力技術相結合的形式，形成了一種新型的鋼- 混凝土組合結構，波形鋼腹板箱梁橋應運而生[8-9]，其構造示意見圖1。

圖1 波形鋼腹板箱梁的構造示意

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型

依托伊朗德黑蘭北部高速公路BR-06L/R 特大橋為工程實例，主橋上部結構采用波形鋼腹板預應力混凝土連續梁，跨徑布置為83 m+153 m+83 m，中跨比0.542。主橋橫橋向采用雙幅橋布置，單幅橋面寬13.1 m。

利用Midas/Civil 對全橋進行靜力性能分析，橋梁主梁采用了Midas/Civil 中的梁單元來模擬，由于橋梁上部結構箱梁是由混凝土頂、底板與波形鋼腹板組合而成，為組合結構，梁截面采用Midas/Civil 中鋼腹板箱梁設計截面CPMW 進行模擬，全橋模型見圖2。

圖2 全橋有限元計算模型

1.2 對比模型

波形鋼腹板箱梁橋是在傳統預應力混凝土箱梁橋橋型的基礎上發展而來的，為了能夠更好的了解波形鋼腹板箱梁橋的靜力性能，需要建立一個與之相對應的混凝土箱梁橋模型，作為對比模型進行研究。

波形鋼腹板箱梁橋與預應力混凝土箱梁橋最大的區別在于腹板結構材料的不同，在傳統混凝土箱梁橋中，腹板主要承受剪力，因此在做對比模型時，需要將波形鋼腹板替換為一定厚度的混凝土。混凝土厚度將按等效法：混凝土腹板所能承受與波形鋼腹板承受相同的剪力，主梁跨徑和箱梁構造與波形鋼腹板箱梁橋保持一致。混凝土箱梁橋有限元模型見圖3。

圖3 混凝土箱梁橋有限元計算模型

2 靜力性能分析

2.1 內力分析

2.1.1 最大懸臂狀態內力分析

隨著波形鋼腹板主梁節段的增加，橋墩支點兩側懸臂段越來越長，當達到最大懸臂狀態時，橋梁結構處于最危險狀態，因此需要對其進行內力分析。這里研究兩對比模型最大懸臂狀態在恒荷載作用下的靜力性能。

由鋼腹板橋與混凝土橋內力結果可知，在恒荷載作用下，鋼腹板橋與混凝土橋內力分布規律趨于一致，其中選取3 處典型截面內力結果：邊跨1/2 處、中支點處和中跨1/4 處，制成內力結果比對表，見表1。

表1 恒載作用下內力結果比對

由內力結果比對可知，混凝土橋的內力結果均大于鋼腹板橋。其中混凝土橋邊跨1/2 處剪力值大于鋼腹板橋24.92%，彎矩值大于鋼腹板橋25.55%；中支點處剪力值大于鋼腹板橋17.2%，彎矩值大于鋼腹板橋22.7%；中跨1/4 處剪力值大于鋼腹板橋25.7%，彎矩值大于鋼腹板橋27.3%。由此可知，在最大懸臂狀態下，波形鋼腹板箱梁橋整體內力均小于傳統預應力混凝土箱梁橋，分析認為二者內力上的差異主要是由主梁結構形式的不同導致的。因波形鋼腹板與混凝土的組合，二者在箱梁受力時分工明確，充分發揮了各自的優勢，因此主梁在整體受力上更加合理。

2.1.2 移動荷載內力分析

由計算分析可得，在移動荷載作用下，鋼腹板橋與混凝土橋內力分布規律趨于一致，其中選取2處典型截面內力結果：邊跨1/2 處與中支點處，制成內力結果比對表，見表2。

表 2 移動荷載作用下內力結果比對

由內力結果比對表可知，在移動荷載作用下波形鋼腹板橋的內力與混凝土橋的內力在結果上相差不大，作用效應基本一致。其中鋼腹板橋邊跨1/2 處剪力值大于混凝土橋0.8%，彎矩值小于混凝土橋7.1%；鋼腹板橋中支點處剪力值小于混凝土橋0.01%，彎矩值大于混凝土橋0.9%。分析認為波形鋼腹板箱梁橋與混凝土箱梁橋在結構形式上僅在腹板處有所不同，混凝土頂、底板一致，而彎矩主要有頂、底板來承擔，因此二者在抗彎剛度上沒有很大的差異。同時也說明波形鋼腹板箱梁橋在抗彎剛度與混凝土箱梁橋基本一致的情況下，能夠有效減輕橋梁上部結構的自重。

2.2 應力分析

選取荷載工況：恒荷載+ 預應力荷載+ 收縮徐變+ 汽車荷載+ 人群荷載，探究在該荷載組合作用下鋼腹板橋與混凝土橋應力情況。其中鋼腹板橋主梁上緣、下緣應力見圖4、圖5；混凝土橋主梁上緣、下緣應力見圖6、圖7。

圖4 鋼腹板橋主梁上緣應力/MPa

圖5 鋼腹板橋主梁下緣應力/MPa

圖6 混凝土橋主梁上緣應力/MPa

圖7 混凝土橋主梁下緣應力/MPa

由主梁應力結果可知，在荷載組合工況下，鋼腹板橋主梁應力均大于混凝土橋主梁應力。鋼腹板橋主梁上下緣均未出現拉應力，其中最大壓應力為13.3 MPa，混凝土橋主梁上下緣出現微小拉應力，應力值0.75 MPa，但在允許范圍之內，最大壓應力為13.9 MPa。鋼腹板橋與混凝土橋上緣最大應力值均出現在中跨跨中處，但鋼腹板橋應力變化相比較混凝土橋應力變化較為平緩，且在整體上鋼腹板橋的下緣應力略大于混凝土橋下緣應力；鋼腹板橋與混凝土橋下緣應力分布有所不同，鋼腹板橋中最大應力值出現在兩邊跨靠近跨中處，混凝土橋中最大應力值出現在主梁中支點處。

2.3 撓度分析

撓度是反映橋梁剛度的重要指標之一。在橋梁施工控制與后期運營階段中，撓度控制都起著不可忽視的作用。相比較預應力混凝土箱梁橋，波形鋼腹板箱梁橋腹板更加輕薄，二者在主梁剛度上必然會存在差異，針對前面兩模型在不同荷載工況下進行撓度分析。鋼腹板橋與混凝土橋在不同荷載作用下主梁撓度對比見圖8，荷載組合同上節。

圖8 不同荷載作用下主梁撓度對比

由圖8 可知，在自重荷載作用下，鋼腹板橋主梁撓度均大于混凝土橋，撓度峰值前者大于后者約13%。在預應力荷載作用下，鋼腹板橋主梁預拱值也均大于混凝土橋，預拱峰值前者大于后者約24%。在荷載組合作用下，鋼腹板橋主梁撓度也均大于混凝土橋，撓度峰值前者大于后者約15%。

綜上分析可知，波形鋼腹板箱梁橋整體剛度小于預應力混凝土箱梁橋。主要原因是波形鋼腹板在縱橋向呈“褶皺”狀，由于波形鋼腹板的抗剪剛度相比傳統鋼板的剪切模量進行了一定折減，對于波形鋼腹板箱梁橋這種新型結構，波形鋼腹板主要承擔剪力。混凝土頂、底板對抗剪的貢獻比較小，剪應力會使波形鋼腹板產生一定的剪切變形，對箱梁的撓度產生較大的影響，所以在相同荷載作用下，波形鋼腹板箱梁橋的整體撓度會大于混凝土箱梁橋。

3 結語

通過有限元分析軟件Midas/Civil 對伊朗德黑蘭特大橋展開了靜力性能分析，主要得出以下結論：（1）內力分析方面，波形鋼腹板箱梁橋整體結構內力均小于預應力混凝土箱梁橋。主要原因是波形鋼腹板箱梁橋采用鋼腹板替代了傳統混凝土腹板，使橋梁上部結構自重更小，因此在不同荷載工況下，波形鋼腹板箱梁橋整體所受的內力有所減小。（2）應力分析方面，在荷載組合工況下，波形鋼腹板箱梁橋主梁應力均大于預應力混凝土箱梁橋主梁應力。主要原因是波形鋼腹板在箱梁中只承擔剪力，而混凝土頂、底板主要承擔彎矩，所以混凝土頂、底板相比較鋼腹板需要承擔更多的應力。但波形鋼腹板箱梁橋的主梁應力相比較混凝土箱梁橋的主梁應力變化更為平緩。（3）撓度分析方面，波形鋼腹板箱梁橋整體剛度較預應力混凝土箱梁橋更小，且在不同荷載工況下的撓度更大。主要是因為波形鋼腹板在箱梁中承擔剪力，而波形鋼腹板產生的剪切變形會對主梁整體的撓度產生較大的影響，所以在今后的實際工程應用中，不可忽略波形鋼腹板的剪切變形對主梁整體撓度的影響。