波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋有限元靜力驗算

盧蘭萍，李澎濤，韓亞杰，陳 林

(河北工程大學 土木工程學院,河北 邯鄲 056038)

?

波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋有限元靜力驗算

盧蘭萍，李澎濤，韓亞杰，陳 林

(河北工程大學 土木工程學院,河北 邯鄲 056038)

以已建成的某波形鋼腹板PC組合三跨(50 m+80 m+50 m)連續箱梁橋為實例，按照該橋的運營情況，采用Midas/Civil軟件建模及有限元分析，檢驗和復核這種橋型結構在三種最不利效應組合(短期效應組合、標準值組合和承載能力極限狀態基本組合)下的抗彎、抗剪、抗裂、撓度以及腹板的強度變化情況。結果表明其有限元模型在三種最不利荷載組合下，結構能夠很好的滿足規范和設計文件的要求。

波形鋼腹板；組合箱梁；Midas/Civil；靜力驗算

波形鋼腹板PC組合箱梁橋是一種符合可持續理念的新型鋼-混組合結構橋梁形式[1-2]。然而我國對此類橋梁的認識和研究起步較晚，還主要停留在理論設計方面，對成橋后的實例進行靜力驗算很少。本文以正在運營的某三跨(50 m+80 m+50 m)波形鋼腹板PC組合箱梁橋為實例，利用Midas/Civil有限元軟件，建立三維實體的有限元模型，通過對軟件的運行分析，檢驗和校核該橋的設計是否滿足相關規范的要求。

1　橋梁概況

箱梁橫向截面采用單室單箱結構形式，縱向立面則采用梁高和底板厚均按二次拋物線形狀的布置方式，其中橋面寬14.012m，底板寬7.5m，懸臂長3.006 m，懸臂端厚0.2m，根部厚0.6 m，跨中和根部梁高分別為2.7 m和5.0 m，底板厚度分別為0.3m和0.7 m；波形鋼腹板波紋高度設計為0.22m，水平面板寬為0.43m，彎折角度為30.7°，一個波紋長度為1.6 m，鋼板厚度根據承載能力需要，分別采用10、14、16、18 mm四種不同型號。箱梁使用的鋼材和混凝土分別選用Q345鋼材和C50混凝土。

箱梁采用縱、橫雙向預應力體系。在箱梁橋縱向，預應力束布置采用體內預應力束與體外預應力束相結合的方式;在箱梁橋橫向，則僅采用體內預應力束的布置方式。體內、體外預應力鋼束均采19φs15.2類型、標準強度為1860 MPa的低松弛鋼絞線，其中體內錨下控制張拉應力為0.75×1860 MPa=1395mPa。體外錨下控制張拉應力為0.65×1860 MPa=1209MPa。

本箱梁橋連接件的設置采用最為常見的PBL剪力鍵進行連接。

為提高整個箱梁橋的橫向抗變形能力和實現預應力鋼束轉向的目的，箱梁橋邊跨設置3道橫隔板，中跨設置4道橫隔板，橫隔板板厚0.5m。

鋼腹板的涂裝防腐采用設計壽命不低于25年的除銹后噴鋁防腐方案。

2　有限元模型建立[3-5]

2.1模型建立

箱梁橋采用Midas/Civil有限元軟件，通過輸入相應的截面參數、支座條件和預應力鋼束狀況等來完成結構建模。全模型共劃分為73個節點和58個單元，如圖 1所示。

2.2荷載取值及組合

(1)荷載取值

永久作用：鋼筋混凝土頂、底板容重按25kN/m3計；鋼材容重按78.5kN/ m3計；橋面鋪裝采用厚度為10 cm瀝青混凝土，其容重按24kN/ m3計；單側護欄重量按9 kN/m計；箱梁橋的環境相對濕度取80%；支座的不均勻沉降按5mm計。

可變作用：1.3倍公路-I級車道荷載，設計車道數為6，考慮各種不利情況，取偏載系數1.15。

(2)荷載組合

根據《公路橋涵設計通用規范》，本次荷載組合選取了三種最不利的效應組合，即短期效應組合、標準值組合和承載能力極限狀態基本組合[6]。

3　有限元結果分析

3.1承載能力極限狀態驗算

(1)正截面抗彎承載能力驗算

運行Midas/Civil有限元軟件，可以得到箱梁橋在承載能力極限狀態下的彎矩包絡圖，如圖2所示：

由“平截面假定”可知，波形鋼腹板組合箱梁的彎矩近似認為全部由箱梁橋的混凝土頂、底板承擔，鋼腹板不參與作用[7]。

由ΣH=0得fcdbex=fpdAy1+σyuAy2：

式中：fcd為混凝土軸心抗壓設計強度；be為頂、底板有效分布寬度；σyu為受拉區體外預應力鋼筋的極限應力；σyu=σyk+Δσyu；σyk為扣除各種預應力損失后體外預應力筋的有效預應力；Δσyu為體外預應力筋在極限狀態下的應力增量，目前沒有簡單通用的精確計算方法，偏保守地取Δσyu=0；fpd為受拉區體內預應力鋼筋的抗拉設計強度；Ay1、Ay2為受拉區體內、體外預應力鋼筋面積；hy1、hy2為受拉區體內、體外預應力鋼筋合力點到箱梁上緣的距離。

截面抗彎承載力公式為：

主要截面計算結果見表1。

由圖2和表1可知，箱梁橋的跨中彎矩值為124875kN·m，小于抗彎承載能力值138 838kN·m；箱梁橋的墩頂彎矩值為271131kN.m，小于抗彎承載能力值428 357kN·m，所以在承載能力極限狀態下箱梁橋能夠滿足正截面抗彎的要求。

表1　波形鋼腹板主要截面承載能力驗算表

(2) 斜截面抗剪承載能力驗算

波形鋼腹板一般由卷材或板材彎折而成，縱向的彈性模量小，基本上不能承受縱向壓力，而剪力幾乎完全由波形鋼板承擔，且彎矩和剪力不發生相互作用[8]。因此無需對該類橋梁進行斜截面抗剪承載能力驗算。

3.2正常使用極限狀態驗算

(1)正截面抗裂驗算

運行Midas/Civil有限元軟件，可以得到正常使用極限狀態短期效應組合下箱梁橋的截面最大正應力包絡圖(受拉為正)如圖3、圖4所示：

由圖3和圖4可知，在正常使用狀態短期效應組合下箱梁橋截面上緣、下緣均未出現拉應力，能夠滿足全預應力混凝土構件正截面抗裂驗算要求。

(2)斜截面抗裂驗算

在對箱梁橋進行斜截面抗裂驗算時，通常選用彎矩和剪力均較大處作為最不利區段，而在波形鋼腹板PC組合箱梁結構中，近似認為混凝土頂、底板承擔了全部彎矩，鋼腹板承擔了全部剪力，且彎矩與剪力不發生相互作用。因此不需對箱梁橋進行斜截面抗裂驗算。

(3)撓度驗算

運行Midas/Civil有限元軟件，可以得到箱梁橋在1.3倍公路-I級荷載作用下的撓度如圖5所示，撓度驗算見表2(表中撓度以向下為正)：

由圖5和表2可知，箱梁橋的撓度最大允許值為133.3mm，而箱梁橋的實際撓度值為73.0 mm，能夠滿足規范限值的要求。

表2　撓度驗算(單位：mm)

注：l為計算跨徑。

3.3波形鋼腹板抗剪強度驗算

運行Midas/Civil有限元軟件，可以得到鋼腹板在持久狀況下的剪力包絡圖,如圖6所示。

本橋鋼腹板采用Q345鋼材，由于鋼板厚度不同，取腹板厚度為18 mm時得到的鋼材最小容許剪應力為170 MPa，大于箱梁橋腹板實際的最大剪應力值127.3mPa，所以波形鋼腹板能夠滿足抗剪強度的要求。

4　結論

1)承載能力極限狀態下箱梁橋能夠滿足正截面抗彎和斜截面抗剪的要求。

2)正常使用極限狀態荷載短期效應組合下，箱梁橋正截面和斜截面滿足抗裂的要求。

3)1.3倍公路-I級荷載作用下，箱梁橋的最大撓度能夠滿足規范限值的要求。

4)持久狀況下箱梁橋鋼腹板的抗剪能力能夠滿足對腹板抗剪強度的要求。

[1]閆 鵬.波形鋼腹板PC組合彎箱梁橋力學性能研究 [D].西安:長安大學,2011.

[2]栗國君.波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋的靜動力特性分析研究 [D].成都:西南交通大學,2010.

[3]顧安邦,徐君蘭.波形鋼腹板組合箱梁橋的結構與受力分析[J].重慶交通學院學報,2005,24(2):30-32.

[4]宋建永,張樹仁,王宗林.波紋鋼腹板體外預應力組合梁全過程分析[J].哈爾濱工業大學學報,2008,30 (3):52-55.

[5]陳寶春,黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應用綜述[J].中國公路學報，2012,12(4):28-31.

[6]JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].

[7]仁 順,李文虎,任大龍.波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋有限元靜力分[J].中國公路學報,2013,3(2):17-21.

[8]竇勝譚.波形鋼腹板連續剛構橋PBL剪力鍵試驗與理論研究 [D].成都:西南交通大學,2014.

(責任編輯王利君)

Static checking 0f continuous box girder bridge with corrugated steel webs PC combination bridge base on finite element Method

LU Lanping, LI Pengtao, HAN Yajie, CHEN Lin

(College of Civil Engineering Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038,China)

According to the example of the combination of three corrugated steel webs(50m + 80m + 50m) across PC continuous box girder bridgewhich has been built and used.According to the bridge after the completion of operations, the Midas / Civil Software finite element modeling was used to make inspection and review of the bending and shear , crack deflection and strength three kinds of the most adverse effects (short-term effects of the combination, and the standard combination of values and ultimate limit state the basic combination) .The results show that the structure can well meet the requirements specification and design documents when its finite element model is in condition of the three most adverse effects.

corrugated steel webs; composite box girder; Midas / Civil; static checking

2016-03-14

國家自然科學基金資助項目(51508150)特約專稿

盧蘭萍(1964-)，女，河北邯鄲人，碩士，教授，從事交通專業教學、科研和設計方面的研究。

1673-9469(2016)03-0072-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.015

U448.3

A