波紋鋼腹板等截面箱梁橫隔板位置研究

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正文：

0 引言

隨著科技的發(fā)展和新材料、新工藝的推廣應(yīng)用，近年來(lái)我國(guó)橋梁的跨越能力也在不斷的突破，但同時(shí)隨著橋梁跨徑的不斷增大，橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載占總荷載的比例也在提高，橋梁自重已成為制約其跨越能力的主要問(wèn)題。與傳統(tǒng)的混凝土箱梁結(jié)構(gòu)相比，箱梁腹板采用波紋鋼腹板一是可以使上部結(jié)構(gòu)箱梁自重減輕、恒載內(nèi)力減小；二是波紋鋼腹板在軸向?yàn)檎郫B狀，當(dāng)受到軸向預(yù)壓力作用時(shí)鋼腹板能自由壓縮，使其對(duì)頂、底混凝土板由于徐變和收縮而產(chǎn)生的變形約束較小，可對(duì)箱梁施加有效的體外預(yù)應(yīng)力[1]。從波紋鋼腹板箱梁的構(gòu)造可以發(fā)現(xiàn)，主梁豎向剪力全部由波形鋼腹板承受，而主梁彎曲正應(yīng)力主要由混凝土頂、底板承擔(dān)，對(duì)于波紋鋼腹板箱梁來(lái)說(shuō)，在荷載作用下，波形鋼腹板的豎向剪應(yīng)力大小以及其沿橫向的分布情況是應(yīng)該被橋梁設(shè)計(jì)者去關(guān)注和研究。

本文主要給出構(gòu)造合理的箱梁橫隔板布置，達(dá)到各鋼腹板的豎向剪應(yīng)力在橋梁縱、橫向分布均勻，峰值最小的目的。

1 工程概況

某公路橋梁上部結(jié)構(gòu)采用波紋鋼腹板連續(xù)箱梁，橋跨布置為4×30m，雙向6車道。主梁為單箱四室等高截面，箱梁頂寬25.3m,底板寬19.3m,梁高2.2m，箱梁頂板設(shè)置成2%雙向橫坡,箱梁頂板厚28cm，底板厚25cm，波紋鋼腹板厚1.6cm，每跨設(shè)置兩道橫隔板，橫隔板厚30cm。橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，二期恒載120kN/m。主梁頂、底板和橫隔板均采用C55混凝土，波紋鋼腹板采用Q345E鋼。橋梁?jiǎn)慰?0m平面構(gòu)造如圖1。這里要說(shuō)明的是，圖1中橫隔板的位置是初始設(shè)定的，并不是最終的優(yōu)化結(jié)果，在進(jìn)行橫隔板位置優(yōu)化計(jì)算后給出最佳結(jié)果。

圖1 橋梁?jiǎn)慰?0m平面構(gòu)造圖(cm)

2 建立有限元模型

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立分析模型，由于橋梁4跨構(gòu)造一致，只取一跨建模計(jì)算。波紋鋼腹板單箱多室箱梁的頂、底板均為混凝土結(jié)構(gòu)，采用混凝土實(shí)體單元來(lái)建模。為達(dá)到波紋鋼腹板與混凝土共同作用的結(jié)果，在單元?jiǎng)澐謺r(shí)要使對(duì)應(yīng)位置的波紋鋼腹板節(jié)點(diǎn)與混凝土單元節(jié)點(diǎn)重合，保證波紋鋼腹板與混凝土充分粘結(jié)。波紋鋼腹板采用板殼單元來(lái)模擬，建模時(shí)應(yīng)保證鋼腹板與上、下翼板的節(jié)點(diǎn)吻合，讓波紋鋼腹板的波折線與頂板、底板混凝土完全重合；橫隔板采用三維實(shí)體單元模擬，上、下翼板與橫隔板的連接方式采用共節(jié)點(diǎn)[2]。

在模型中荷載組合為：梁體自重、二期恒載、單向3車道加載公路-Ⅰ級(jí)車道荷載。由于只取一跨建模計(jì)算，邊界條件按簡(jiǎn)支處理。橋梁上部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型和波紋鋼腹板有限元模型如圖2、圖3所示。

圖2 橋梁上部結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 波紋鋼腹板有限元模型

3 橫隔板不同位置所對(duì)應(yīng)的波紋鋼腹板豎向剪應(yīng)力

在ANSYS后處理中，通過(guò)ANSYS APDL參數(shù)化編程提取各鋼腹板豎向剪應(yīng)力[3]。在不同的橫隔板位置下各片鋼腹板沿橋梁縱向剪應(yīng)力值數(shù)據(jù)如表所示。

橫隔板不同位置所對(duì)應(yīng)的各片鋼腹板沿橋梁縱向剪應(yīng)力最大值表

上表第2組橫隔板1中心位置8.5m和橫隔板2中心位置21.5m與圖1中設(shè)計(jì)初始橫隔板位置相對(duì)應(yīng)，從表中數(shù)據(jù)分析，在第2組位置下計(jì)算出的每片波紋鋼腹板剪應(yīng)力值均較大，為達(dá)到每片波紋鋼腹板豎向剪應(yīng)力沿橋梁縱向分布均勻，同時(shí)峰值較小的理想狀態(tài)，將圖1中2道橫隔板的位置同時(shí)按差值0.8m進(jìn)行調(diào)整再計(jì)算剪應(yīng)力最大值。通過(guò)分析調(diào)整后計(jì)算得到數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在第4組中，2#、3#鋼腹板計(jì)算所得豎向剪應(yīng)力峰值最小 ；在第3組中，1#、4#、5#鋼腹板計(jì)算所得豎向剪應(yīng)力峰值最小；在第1組中1#、5#鋼腹板剪應(yīng)力峰值最小，但與2#、3#、4#鋼腹板剪應(yīng)力最大值相差較大；在第5組中2#、3#鋼腹板剪應(yīng)力峰值最小，但該組中峰值普遍偏大；通過(guò)四組中各剪應(yīng)力峰值大小的比較，發(fā)現(xiàn)第3組數(shù)據(jù)中3#鋼腹板豎向剪應(yīng)力最大，最大值為122.326MPa，而第4組中4#鋼腹板豎向剪應(yīng)力最大，最大值為116.46MPa，且5片鋼腹板的剪應(yīng)力峰值分布均勻，可見(jiàn)第4組中的2道橫隔板位置設(shè)計(jì)較為合理。

4 結(jié)論

波紋鋼腹板單箱多室箱梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，通過(guò)橫隔板設(shè)置不僅可以提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度[4]，同時(shí)橫隔板位置合理的設(shè)計(jì)，對(duì)于改善鋼腹板的受力狀態(tài)也是非常重要的。本文通過(guò)橫隔板縱向位置的調(diào)整試算，計(jì)算分析了橫隔板設(shè)置位置與鋼腹板剪應(yīng)力之間的變化情況，較好的得到波紋鋼腹板剪應(yīng)力分布規(guī)律。