波形鋼腹板箱梁橋屈曲穩定性研究

陳鋒

（湖南華罡規劃設計研究院有限公司，湖南長沙 410076）

波形鋼腹板箱梁橋屈曲穩定性研究

陳鋒

（湖南華罡規劃設計研究院有限公司，湖南長沙 410076）

以湖南岳陽汨羅江大橋為工程背景，使用ANSYS有限元軟件對波形鋼腹板箱梁橋進行屈曲分析，并在汨羅江大橋原始模型基礎上改變波形鋼腹板幾何參數（波紋板長、折疊角度），分析波形鋼腹板組合橋梁在自重和單位偏載作用下的屈曲模態、屈曲荷載系數和南北側波紋板頂端位移差。結果表明，波形鋼腹板板長l為0.2～0.5m時，屈曲穩定性先增強后轉弱，板長0.3m組合結構最穩定；波形鋼腹板折疊角α為20°～50°時，屈曲穩定性先增強后轉弱，折疊角30°組合結構最穩定；并驗證了汨羅江大橋的設計參數為最佳值。

橋梁；波形鋼腹板；組合箱梁；屈曲荷載系數；鋼腹板長；折疊角

波形鋼腹板箱梁橋是由不同類型連接件將砼頂底板與波形鋼腹板組合而成的一種新型橋梁結構體系，它以8～20mm厚鋼腹板代替傳統砼腹板，自重顯著降低，強度得以提高，因而在歐美等地區應用廣泛。波形鋼腹板預應力箱梁中的波形鋼腹板處于純剪受力狀態，波形鋼腹板的抗剪承載力由截面的剪切屈曲強度控制。該文以湖南岳陽汨羅江大橋為工程背景，使用ANSYS有限元軟件對波形鋼腹板箱梁橋進行屈曲分析，并在汨羅江大橋原始模型基礎上改變波形鋼腹板幾何參數（波紋板長、折疊角度），分析組合橋梁在正常使用極限狀態下內外側波紋板頂端位移差，并得出屈曲荷載系數。

1　工程背景

汨羅江大橋總長76.16m，跨徑布置為20m+ 30m+20m。該橋上部結構采用單箱單室波形腹板箱形截面，截面橫斷面尺寸見圖1。箱梁高220 cm；底板寬650cm、厚24cm；箱頂板全寬1250 cm，兩側懸臂長300cm，箱內頂板厚28cm，懸臂板端部長150cm、厚25cm，懸臂板根部厚50cm。腹板采用波形鋼板（見圖2），波形鋼板厚t為1.2cm，板長a為30cm，波紋深h為15cm，折疊角α為30°，波形鋼板斜板在水平面投影長b=153cm。

2　有限元模型

采用ANSYS建立有限元模型進行屈曲穩定性分析。采用3D實體單元Solid45模擬波形鋼腹板頂、底板砼，采用殼單元Shell63模擬波形鋼腹板。考慮到汨羅江大橋采用剛性連接件，計算中認為波形鋼腹板與頂、底板砼處于完全組合狀態，有限元模型中以約束方程模擬砼與波形鋼腹板的連接狀態。該模型邊界條件設置如下：固定支座處約束UX、UY、UZ、RXY、RXZ、RYZ；雙向活動支座處約束UY；單向活動支座處約束UY、UZ、ROTX或UX、UY、ROTZ。砼彈性模量Ec=3.55×104MPa，泊松比υ=0.3；鋼板彈性模量Es=2.1×105MPa，泊松比υ=0.3。

圖1　汨羅江大橋橋梁總體布置（單位：標高為m，其他為cm）

圖2　汨羅江大橋波形鋼腹板截面示意圖（單位：cm）

3　屈曲穩定性分析

3.1彈性屈曲分析

由于波形鋼腹板箱梁的抗扭剛度比普通砼腹板箱梁低，其屈曲性能成為工程人員關注的重點。在汨羅江大橋中跨跨中段靠北側波形鋼腹板位置施加偏載，研究自重和偏載作用下波形鋼腹板箱梁橋的屈曲行為，得出相應的荷載屈曲系數和南北側波形鋼腹板位置處位移差。屈曲計算采用子空間迭代法求解，計算中考慮4階屈曲模態，給出汨羅江大橋在上述荷載作用下的前4階屈曲荷載系數和相應的失穩模態（見表1）。

表1　汨羅江大橋在自重和單位偏載作用下的屈曲荷載系數

波形鋼腹板屈曲主要以局部屈曲形式、整體屈曲形式和合成屈曲形式出現在中跨跨中段偏載一側。由表1可知：汨羅江大橋在荷載作用下3種屈曲模式同時出現，表明局部屈曲并不局限于相鄰波形鋼腹板之間，因為波形鋼腹板沿橋梁縱軸線折線連續，某一鋼腹板的變形會牽動相鄰腹板的變形。

3.2波形鋼腹板幾何參數分析

一般波紋鋼腹板參數滿足以下關系：b=a× cosα，h=asinα。獨立變量為a和α。保持汨羅江大橋原始設計參數不變，變化折疊角數值（a=0.3 m不變，α=20°～50°）或變化波紋板長數值（α=30°不變，a=0.2～0.5m），研究波形鋼腹板幾何參數對該組合橋梁屈曲性能的影響。

3.2.1鋼腹板長度對屈曲性能的影響

僅改變波形鋼腹板長度時，組合結構橋梁的屈曲荷載系數和南北側位移差見表2和圖3～4。

表2　鋼腹板長度對屈曲性能的影響

圖3　不同鋼腹板長度時屈曲荷載系數的變化

圖4　不同鋼腹板長度時南北側位移差的變化

由表2、圖3～4可知：改變鋼腹板長度時，屈曲荷載系數隨著鋼腹板長度的增加先增大后減小，長度0.5m時屈曲荷載系數略微增大，長度取0.3m時屈曲荷載系數達到最大值；南北側位移差隨著鋼腹板長度的增加先減小后增大，長度0.5m時南北側位移差略微減小，長度取0.3m時南北側位移差達到最小值。

3.2.2折疊角度對屈曲性能的影響

僅改變折疊角度時，組合結構橋梁的屈曲荷載系數和南北側位移差見表3、圖5～6。

表3　折疊角度對屈曲性能的影響

圖5　不同折疊角度時屈曲荷載系數的變化

由表3、圖5～6可知：改變折疊角度時，屈曲荷載系數隨著折疊角度的增加先增大后減小，折疊角取30°時屈曲荷載系數達到最大值；南北側位移差隨著折疊角度的增加先減小后增大，折疊角取30°時南北側位移差達到最小值。

圖6　不同折疊角度時南北側位移差的變化

4　結論

（1）在中跨跨中自重和單位偏載作用下，波形鋼腹板屈曲發生在中跨跨中段偏載一側，且局部、整體和合成屈曲同時發生。

（2）波形鋼腹板折疊角度一定時，隨著鋼腹板長度的增大，汨羅江大橋屈曲穩定性先增強后減弱，鋼腹板長度取0.3m時最佳。

（3）波形鋼腹板長度一定時，隨著折疊角度的增大，汨羅江大橋屈曲穩定性先增強后減弱，折疊角度取30°時最佳。

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2016-01-10