雙箱單室波形鋼腹板預應力組合梁橋設計分析

何琦琪

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530028)

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雙箱單室波形鋼腹板預應力組合梁橋設計分析

何琦琪

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530028)

文章設計了一座雙箱單室波形鋼腹板預應力組合梁橋，并建立有限元實體模型對其應力分布情況進行了分析計算。通過成橋試驗驗證，得出該橋梁構造合理、各部連接可靠、有限元模擬分析方法正確，可為同類型橋梁的設計、研究提供參考。

波形鋼腹板組合梁橋；結構設計；有限元分析；實體模型；試驗驗證

0　引言

波形鋼腹板預應力組合箱梁解決了橋梁輕型化和混凝土腹板的開裂問題，而且相較于平面鋼腹板梁橋，波形鋼腹板的褶皺效應使得頂底板混凝土因收縮徐變產生的縱向變形不受約束，從而提高其預應力效率。同時，波形鋼腹板具有施工進度快、便于維修和補強、造型美觀等優點，是目前推廣應用的一項新材料、新技術。

本文設計了一座雙箱單室波形鋼腹板預應力組合梁橋，并建立有限元實體模型進行分析計算，通過成橋試驗驗證，橋梁構造合理、各部連接可靠、有限元模擬分析方法正確，可為同類型橋梁的設計、研究提供參考。

1　工程概況

廣西隆百高速公路K118+155東部2號高架橋，橋梁跨度40 m，簡支體系，單幅橋寬12.75 m，橋梁設計荷載等級為公路-Ⅰ級，橋梁總體布置圖如圖1所示。

圖1　橋梁總體布置圖(單位：cm)

2　結構設計

K118+155上部結構其中一幅采用傳統的小箱梁結構，另一幅采用雙箱單室波形鋼腹板預應力組合梁橋結構。為了提高整個結構的橫向剛度和扭轉剛度，防止結構產生影響適用的側向變形和橫向振動，除端橫隔板外，波形鋼腹板預應力組合梁橋跨間共布置五道橫隔板，橋梁具體設計參數如表1所示。橋梁采用的施工方案為波形鋼腹板在工廠分段軋制，現場拼接，然后整體澆注上下混凝土翼緣板。

表1　橋梁設計主要參數表

圖2橋梁上部結構一般構造圖(單位：cm)

圖3　橋梁箱梁斷面圖(單位：cm)

圖4　橋梁波形鋼腹板構造圖(單位：mm)

波形鋼腹板預應力組合梁橋鋼腹板與頂底板混凝土的連接、鋼腹板節段之間的連接及與橫梁的連接是設計的重點，直接決定著結構的整體性和縱向水平力傳遞的有效性。橋梁波形鋼腹板與頂底板混凝土的連接采用焊釘連接件與開孔鋼板連接件的組合方式，如圖5所示，在波形鋼腹板的上下端部焊接倒T形鋼板，鋼板上開孔，孔中貫穿普通鋼筋，同時在倒T形鋼板兩側焊連接栓釘，使之成為整體受力骨架，埋入混凝土頂底板內的貫穿鋼筋和所開孔中的混凝土銷、栓釘共同參與抗剪。

橋梁波形鋼腹板節段的連接采用鋼板搭接，配以貼角焊縫和高強螺栓的連接方式，為確保接口有充分的抗疲勞性能，采用如圖6所示的接口構造。波紋鋼腹板與端橫隔梁的連接采用翼緣型和嵌入型組合方式，與跨內混凝土橫隔板之間的連接通過焊釘接合。

圖5　波形鋼腹板與頂底板連接示意圖(單位：cm)

圖6　波形鋼腹板節段連接示意圖

3　計算分析

橋梁設計采用ANSYS有限元軟件對應力分布情況進行分析。考慮波形腹板的縱向剛度較低、豎向剪切剛度偏小、扭轉和畸變較大等特性，需要建立合理的三維有限元模型進行計算。頂底板混凝土采用SOLID45單元，預應力鋼束采用LINK8單元，波形鋼腹板采用SHELL63單元、支座采用Solid45實體單元模擬，建立橋梁有限元實體模型如圖7所示。

圖7　橋梁有限元實體模型圖

波形鋼腹板在橋梁縱向能夠自由變形，混凝土頂底板因收縮、徐變及鋼板與翼緣板的溫差所引起的應力，不受波形鋼腹板的影響，可以忽略收縮、徐變等引起的次應力。橋梁計算主要結果見表2及圖8～9，結果表明，結構設計滿足相關規范要求。

表2　橋梁有限元分析應力計算結果表

圖8　鋼腹板最大主拉應力云圖(自重+預應力+二期恒載+溫度梯度+車輛荷載(偏載))

圖9　鋼腹板最大主壓應力云圖(自重+預應力+二期恒載+溫度梯度+車輛荷載(偏載))

4　試驗驗證

橋梁施工完成后，為驗證橋梁的施工質量和設計、計算的正確性，對橋梁進行了靜、動載試驗測試。試驗測點布置如圖10所示，其中縱向應變測點及撓度測點布置于跨中截面，剪應變測點布置于梁端剪力最大截面。

圖10　橋梁靜、動載試驗測點布置示意圖

靜載試驗設置三個工況：(1)跨中截面最大正彎矩正載；(2)跨中截面最大正彎矩偏載；(3)梁端截面最大剪力正載[1]。靜載試驗撓度測試結果如表3所示，應變測試結果如表4～5所示[2]。由試驗結果可知，橋梁的撓度、應變校驗系數均<1，說明結構具有足夠的剛度、強度。

表3　跨中截面撓度測試表 (單位：mm)

表4　縱向應變測試表

表5　剪應變測試表

動載試驗進行了脈動試驗、跑車試驗及跳車試驗，測得橋梁的基頻為3.65 Hz[2]，稍大于理論基頻，振型與理論分析相符，說明實橋的剛度>理論模型。另測得橋梁的沖擊系數在0.096～0.178之間，與理論沖擊系數0.160較為接近。

5　結語

經結構靜、動載試驗測試可知，橋梁應變和撓度均在合理范圍，整體剛度、強度滿足設計及規范要求；固有基頻及沖擊系數與理論值相近，結構動力性能良好。由靜載、動載試驗的測試結果與理論分析的計算值比較可知，各項數據分布均勻，呈現出較強的規律性，吻合較好，說明橋梁構造合理、各部連接傳力可靠，有限元模擬分析方法正確。該橋迄今已通車三年，各項性能優異。

[1]李宏江，葉見曙，萬水，等.波形鋼腹板預應力混凝土箱梁的試驗研究[J].中國公路學報，2004，17(4)：31-36.

[2]廣西壯族自治區交通科學研究院.隆林至百色高速公路K118+155東部2號高架橋荷載試驗報告[R].2011.

Design and Analysis of Twin-box Single-chamber Prestressed Composite Girder-bridge with Corrugated Steel Webs

HE Qi-qi

Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530028)

This article designed a twin-box single-chamber prestressed composite girder bridge with corrugated steel webs，and established the finite element physical model to analyze and calculate its stress distribution.Through the experimental verification of completed bridge，it obtained that this bridge structure is reasonable，with reliable connection among all parts，the finite element simulation analysis method is correct，which can provide reference for the design and research of same type of bridges.

Composite girder bridge with corrugated steel webs；Structural design；Finite element analysis；Physical model；Experimental verification

U448.21

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.015

1673-4874(2016)05-0056-03

2016-04-27

何琦琪(1980—)，工程師，研究方向：橋梁設計。