波形鋼腹板與混凝土腹板箱拱抗溫度性能分析

趙磊　王芳

摘 要：波形鋼腹板混凝土組合拱橋具有自重輕、受力小、腹板不開裂、施工方便、跨越潛力大等優點，但該種新橋型在局部研究尤其在拱圈抵抗溫度性能等方面研究較少，為此，本文利用MIDAS CIVIL有限元軟件建立溫度分析模型，對波形鋼腹板箱型拱圈與混凝土腹板箱型拱圈在抵抗系統溫度和梯度溫度方面的性能做了對比分析，為該類橋梁的設計和應用提供借鑒。

關鍵詞：波形鋼腹板；混凝土腹板；箱型拱圈；溫度性能

中圖分類號：TU5 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0057-02

我國福州大學陳寶春教授于2006年提出了把波形鋼腹板應用于拱橋的設計構想[1]，即將箱型拱圈的混凝土腹板替換為波形鋼腹板，創新性地形成波形鋼腹板混凝土箱型拱橋。近年來相關研究表明，波形鋼腹板混凝土箱拱橋具有拱圈自重輕、受力小、腹板不開裂、施工方便、跨越潛力大等優點，尤其與鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋相比，更具有競爭力[2]，因此該類型橋逐漸受到了國內研究人員關注。但波形鋼腹板混凝土拱橋作為一種新的橋型，在局部研究例如抵抗溫度等方面研究較少，為此，本文特選取國內某一單箱單室，跨徑為210m的特大橋箱型拱圈為研究背景，利用MIDAS CIVIL有限元軟件分別建立波形鋼腹板箱型拱圈與混凝土腹板箱型拱圈的溫度分析模型，對比研究系統溫度和梯度溫度作用下兩種拱圈的抗溫度性能。

1工程概況

某特大橋主跨為鋼筋混凝土箱型拱橋，拱圈采用懸鏈線鋼筋砼箱型截面，凈跨徑為210m，凈矢高為42m，凈矢跨比為1/5，計算跨徑為212.311m，計算矢高為42.436m，計算矢跨比1/5，拱軸系數m=1.67。

拱圈為單箱單室截面，半幅箱寬7.0m，箱高3.5m。拱腳頂底板厚度由80cm漸變至40cm，腹板厚度由80cm漸變至50cm。拱圈其它節段頂底板厚40cm，腹板厚度為50cm。主要技術標準：橋梁設計荷載為公路—Ⅰ級，行車道為單向兩車道，拱圈主要材料為 C50混凝土，計算彈性模量EC=3.45×104MPa，重力密度取26KN/m3。

2有限元模型的建立

采用MIDAS CIVIL有限元軟件建模，將該特大橋混凝土拱圈模型劃分為186個節點和212個梁單元，波形鋼腹板拱圈模型劃分為207個節點和220個梁單元。波形鋼腹板拱圈采用對應的單箱單室截面，波形鋼取規范1600型[3]，采用Q345低合金高強結構鋼，計算彈性模量E=2.06×105MPa，依據國內外大量已建波形鋼腹板梁橋統計結果[4]，將本橋拱圈的波形鋼板厚度設計為10mm，拱圈鋼腹板幾何尺寸如圖2所示：

3溫度作用下拱圈的受力

利用MIDAS CIVIL建模，計算波形鋼腹板箱型拱圈和混凝土腹板箱型拱圈分別在系統溫度升溫25℃、漸變10℃梯度溫度作用下的最大組合應力和最大位移，對比分析該兩種拱圈抵抗溫度作用的受力性能。

3.1拱圈應力

3.1.1系統溫度工況

在系統整體溫度升溫或降溫取25℃的溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈和混凝土腹板箱型拱圈的組合應力如圖3所示：

結果顯示，系統整體溫度升溫或降溫取25℃的溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈的組合應力最大值為-1.84MPa，混凝土腹板箱型拱圈的組合應力最大值為-1.95MPa，均產生于拱腳。

3.1.2梯度溫度工況

在取梯度溫度為沿拱圈截面漸變10℃的溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈的組合應力最大值為-2.33MPa，混凝土腹板箱型拱圈的組合應力最大值為-4.02MPa，均產生于拱腳，由于篇幅限制，未附分析圖。

3.1.3應力統計與分析

系統溫度和梯度溫度作用下拱圈的應力情況統計如下表1所示：

統計分析表明，系統溫度和梯度溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈受到的最大應力均小于混凝土腹板箱型拱圈所受到的最大應力。系統溫度和梯度溫度作用下，拱圈的最大應力均產生于拱腳截面。

3.2拱圈位移

3.2.1系統溫度工況

計算結果顯示，在系統整體溫度升溫或降溫取25℃的溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈的拱腳組合位移最大值為71mm，混凝土腹板箱型拱圈的拱腳組合位移最大值為72mm，均產生于拱頂處。

3.2.2梯度溫度工況

在取梯度溫度為沿拱圈截面漸變10℃的溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈的拱腳組合位移最大值為8mm，混凝土腹板箱型拱圈的拱腳組合位移最大值為6mm，均產生于拱圈L/4處。

3.2.3位移統計與分析

系統溫度和梯度溫度作用下拱圈的最大位移情況統計如下表2所示：

統計分析表明，系統溫度作用下波形鋼腹板箱型拱圈的最大位移小于混凝土腹板箱型拱圈，梯度溫度作用下波形鋼腹板箱型拱圈的最大位移大于混凝土腹板箱型拱圈，且梯度溫度工況下波形鋼腹板箱型拱圈和混凝土腹板拱圈的位移均遠小于系統溫度作用下的位移。系統溫度和梯度溫度作用下，拱圈的最大位移處均位于拱頂截面。

4結論

本文利用了MIDAS CIVIL大型有限元軟件對某特大橋波形鋼腹板箱型拱圈設計形式和混凝土腹板箱型拱圈設計形式進行了溫度分析，對比分析了波形鋼腹板箱型拱圈設計形式和混凝土腹板箱型拱圈的在溫度作用下的受力性能，得到如下主要結論：

（1）系統溫度與梯度溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈受到的最大組合應力均小于混凝土腹板箱型拱圈，最大組合應力均產生于拱腳截面。

（2）梯度溫度作用下，波形鋼腹板箱型拱圈和混凝土腹板拱圈的位移遠小于在系統溫度作用下的位移。系統溫度作用下波形鋼腹板箱型拱圈的最大位移小于混凝土腹板箱型拱圈，均發生于拱頂截面。梯度溫度作用下波形鋼腹板箱型拱圈的最大位移大于混凝土腹板箱型拱圈，均產生于拱圈L/4處。

參考文獻：

[1]陳寶春，王遠洋，黃卿維.波形鋼腹板混凝土拱橋新橋型構思[J].世界橋梁，2006，（4）：10-14.

[2]姜燕.波形鋼腹板混凝土拱橋試設計研究[D]：[碩士學位論文].重慶：重慶交通大學土木工程學院，2013.

[3]中華人民共和國交通運輸部.JT/T 784—2010組合結構橋梁用波形鋼腹板[S].北京：人民交通出版社，2010.

[4]姜燕.波形鋼腹板混凝土拱橋試設計研究[D]：[碩士學位論文].重慶：重慶交通大學土木工程學院，2013.