波形鋼腹板幾何參數對主梁靜力性能的影響

范智皓， 張開銀

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

波形鋼腹板組合箱梁橋這種新型組合梁橋結構興起于20世紀80年代[1]。相比較傳統的混凝土箱梁橋，波形鋼腹板箱梁橋有著能夠有效地減輕橋身自重、提升預應力效率、避免腹板開裂等優點，因而成為近些年來國內外橋梁專家與學者的研究重點。周緒紅等[2]根據相似理論對某跨徑40 m的波形鋼腹板組合箱梁橋進行的模型試驗，探究了該橋的基本受力性能；李宏江等[3]通過模型試驗探究了鋼腹板剪切變形對波形鋼腹板組合箱梁撓度的影響；鄭尚敏[4]對波形鋼腹板組合箱梁橋進行了動力性能探究。

目前國內外針對波形鋼腹板組合箱梁橋的研究主要集中在靜、動力性能分析等方面，而對鋼腹板參數分析的研究較少。由于使用波形鋼腹板替代了傳統的混凝土腹板，而波形鋼腹板的幾何參數的改變也必然會對主梁的靜力性能產生一定的影響，因此有必要對此橋型的腹板幾何參數進行進一步的分析。故本文以一座已建波形鋼腹板組合箱梁橋為研究對象，研究波形鋼腹板幾何參數的變化對波形鋼腹板主梁靜力性能的影響。

1 工程概況

該橋為一座波形鋼腹板預應力混凝土連續梁，跨徑為(83+153+83) m，主橋橫橋向采用雙幅橋布置。橋梁上部結構采用單箱單室三跨波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁，根部梁高8.8 m，頂板厚0.3 m，底板厚1.1 m；跨中及邊跨處梁高3.5 m，頂板厚0.3 m，底板厚0.3 m；梁高及底板厚均按1.8次拋物線變化。波形鋼腹板箱梁典型截面尺寸如圖1所示；波形鋼腹板采用1600型，幾何尺寸如圖2所示。

圖1 波形鋼腹板箱梁典型截面尺寸(單位：cm)

圖2 波形鋼腹板幾何尺寸(單位：mm)

2 有限元模型

采用有限元MIDAS/Civil對橋梁上部結構進行建模分析。用MIDAS/Civil中自帶的波形鋼腹板設計截面對箱梁截面進行模擬。兩橋墩處邊界條件為固結，邊跨兩支座處采用彈性連接。全橋模型共劃分為103個單元，108個節點。波形鋼腹板箱梁有限元模型如圖3所示。

圖3 波形鋼腹板箱梁有限元模型

3 鋼腹板參數變化對箱梁力學性能影響分析

常見的波形鋼腹板幾何型狀如圖4所示。其中幾何參數通常有鋼腹板高度h、鋼腹板厚度t、鋼腹板長度b、鋼腹板波折角θ、鋼腹板直板段長度aw、鋼腹板斜板段長度bw。由于受到工廠加工限制，通常有aw=bw，因此鋼腹板幾何參數中只有3個變量：鋼板厚度t、鋼板直板段長度aw與波折角θ，本文也將針對這3個變量進行參數影響分析[5,6]。

圖4 波形鋼腹板幾何形狀

3.1 鋼腹板厚度

本小節中控制直板段鋼板長度aw=430 mm，波折角度θ=30°，鋼腹板高度h=220 mm，波長b=1 600 mm不變；調整鋼腹板厚度，鋼腹板厚度依次取12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，22 mm。建立有限元模型，分析在荷載作用下，鋼腹板厚度的變化對波形鋼腹板箱梁的力學性能的影響。其箱梁跨中的撓度及頂、底板正應力的分析結果見表1。

表1 鋼腹板厚度變化對箱梁力學性能的影響

分析表1結果可知，調整波形鋼腹板的厚度，主梁整體的撓度與應力均發生了一定的變化。主梁撓度方面，隨著鋼腹板厚度的增大，主梁整體的撓度都有著減小的趨勢。其中跨跨中處減小幅度較大，中跨跨中處撓度由37.60 mm減小至34.48 mm，減小了3.12 mm；而邊跨1/2處與中跨1/4處減小幅度不大；中支點處撓度基本沒有變化。主梁應力方面，隨著鋼腹板厚度的增大，主梁頂板應力與底板應力也均有減小的趨勢。其中中跨跨中處正應力減小幅度較為明顯，壓應力由1.821 MPa減小至1.722 MPa，減小了0.099 MPa；底板中跨跨中處拉應力由2.641 MPa減小至2.533 MPa，減小了0.108 MPa。其他三處截面正應力也呈現出減小的趨勢，但減小幅度均不大。

3.2 鋼腹板直板段長度

本小節中控制鋼腹板厚度t=12 mm，波折角θ=30°，鋼腹板高度h=220 mm，波長1 600 mm不變,調整鋼腹板直板段長度，直板段長度依次取230 mm，330 mm，430 mm，530 mm，630 mm。建立有限元模型，分析在荷載作用下，鋼腹板直板段長度的變化對波形鋼腹板箱梁的力學性能的影響。其箱梁跨中的撓度及頂、底板正應力的分析結果見表2。

表2 鋼腹板直板段長度變化對箱梁力學性能的影響

分析表2結果可知，調整波形鋼腹板直板段長度，對主梁整體的撓度與應力均有一定的影響。主梁撓度方面，隨著鋼腹板直板段長度的增大，主梁撓度均呈現出減小的趨勢，但減小幅度不明顯，中跨跨中處撓度由37.76 mm減小至37.48 mm，減小了0.28 mm。主梁應力方面，隨著鋼腹板直板段長度的增大，主梁頂、底板正應力也均呈現出減小的趨勢，但二者減小幅度均不大。

3.3 鋼腹板波折角

本小節中控制鋼腹板厚度t=12 mm，直板段長度aw=430 mm，鋼腹板高度h=220 mm，波長1 600 mm，調整鋼腹板波折角，波折角依次取0°，10°，20°，30°，40°，50°。建立有限元模型，分析在荷載作用下，鋼腹板波折角的變化對波形鋼腹板箱梁的力學性能的影響。其箱梁跨中的撓度及頂、底板正應力的分析結果見表3。

表3 鋼腹板波折角變化對箱梁力學性能的影響

分析表3結果可知：調整波形鋼腹板波折角，對主梁橋整體的撓度與應力均有一定的影響。主梁撓度方面，隨著鋼腹板波折角的增大，主梁整體的撓度都呈現出增大的趨勢，其中跨跨中處增大幅度較明顯，中跨跨中處撓度由34.19 mm增大至39.68 mm，增大了5.49 mm。主梁應力方面，隨著鋼腹板波折角的增大，主梁頂板應力與底板應力也均呈現出增大的趨勢，但增大幅度均不明顯，中跨跨中處頂板壓應力由1.813 MPa增大至1.827 MPa，增大了0.014 MPa；底板拉應力由2.629 MPa增大至2.650 MPa，增大了0.021 MPa。由此可見，增加波形鋼腹板的波折角不利于改善主梁的靜力性能。

4 結 論

波形鋼腹板幾何參數的變化會對箱梁橋整體力學性能有一定的影響。其中：

(1) 隨著鋼腹板厚度的增大，主梁的撓度與應力均呈現出減小的趨勢，因此增大鋼腹板的厚度有利于改善主梁的靜力性能；但鋼腹板厚度過大會增加鋼材的用量，經濟效益有所降低。綜合考慮，鋼腹板厚度取16 mm最為適宜。

(2) 隨著鋼腹板直板段長度的增大，主梁的撓度與應力呈現出減小的趨勢，但減小幅度不大，當直板段長度超過530 mm時，主梁應力有增大的趨勢,因此適當增加直板段長度有利于改善主梁的靜力性能，但直板段長度不宜超過530 mm。

(3) 隨著鋼腹板波折角的增大，主梁的撓度與應力呈現出增大的趨勢，其中撓度變化最為明顯，因此增大鋼腹板波折角不利于改善主梁的靜力性能。但平鋼腹板易發生剪切變形，因此適當增加鋼腹板波折角有利于提升鋼腹板的抗剪切強度。