波形鋼腹板箱梁腹板受力分析

殷麗君

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 項目簡介

以某高速公路大橋為背景，大橋主跨徑為110 m+200 m+200 m+110 m的波紋鋼腹板混凝土箱型單索面矮塔斜拉橋，采用預應力混凝土剛構+連續組合體系。箱梁頂面寬34 m，底寬25 m，翼緣寬度為4.5 m。箱梁根部高度為7 m，跨中高度為3 m，下部結構主墩采用雙薄壁實體墩，連接墩采用等截面空心墩，基礎采用灌注樁基礎，采用公路-Ⅰ級荷載，橋型布置與混合斷面如圖1、圖2所示。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

圖2 鋼腹板與混凝土腹板混合斷面圖（單位：cm）

截面共六道腹板，其中斜拉索在主梁錨固區域采用兩道混凝土腹板，其余四道腹板采用波形鋼腹板，兩種不同材料的腹板共同組合成混合截面。因此波形鋼腹板與混凝土腹板如何共同受力是本文重點分析的內容，通過大型有限元wiseplus結構分析軟件建立全橋分析模型，分析在不同工況組合下截面腹板的具體剪力分配情況。

2 建立有限元模型

考慮到全橋的復雜性，利用6自由度空間網格[1]模型對該橋進行受力狀態分析。全橋模型如圖3所示，計算模型由空間6自由度梁格系組成，全橋共分11 610個節點和25 144個單元。主橋邊墩支座采用支座連桿單元模擬，上部節點連接到腹板單元下節點上，支座單元的截面抗彎剛度修改為零，中墩采用塔梁墩固結的薄壁墩，薄壁墩采用梁單元模擬，梁單元底端完全固結。

圖3 空間網格模型

圖4 箱梁斷面的劃分

圖5 梁單元網格模型邊跨加密區(1～3段)

圖6 梁單元網格模型中跨加密區(4～9段)

箱梁斷面的劃分和節點情況，如圖4所示，頂板與底板縱向共分為19根縱梁，每個腹板位置均劃分一個完整的單元。為分析混合截面在不同工況下的各腹板所受剪力情況，在邊跨取3個網格加密區，中跨取6個網格加密區，以對相應部位進行內力提取并重點分析。

3 腹板剪力分布

假定頂板剪力均勻分布，在剛性橫梁支撐下，各腹板承受剪力可根據實際腹板面積與彈性模量的積進行分配[2]，為直觀顯示各腹板所占比例，分配比例按式（1）計算：

式中：EiAi為邊腹板、內腹板及中腹板面積與彈性模量的積；E3A3為中腹板（混凝土腹板）面積與彈性模量的積。

3.1 恒載作用下腹板剪力分布規律

一次落架成橋狀態后，主梁各個部位在恒載作用下，在斜拉索軸向力作用及剛橫梁橫向支撐共同作用下，每個截面腹板受力會有所不同，通過邊跨3個加密段截面各腹板實際受力情況來分析混合截面上各腹板剪力分配比例。表1內為邊跨3個截面各腹板所承受內力值（括號內為理論值）。

從表1邊跨3個部位截面的邊腹板、內腹板及中腹板的剪力分析值來看，除靠近邊支座附近波形鋼腹板承受負方向剪力外，跨中及靠近塔根處腹板均受正方向剪力；跨中及靠近橋塔處外腹板與內腹板所受剪力與中腹板相比，比值在0.2至0.4之間，符合假定混凝土腹板承受大部分剪力，與理論值較接近，波形鋼腹板承受一部分剪力。在邊跨支座附近內腹板與外腹板在邊跨處受較大剪力，且數值與中腹板接近，說明在邊跨支座附近，波形鋼腹板與混凝土腹板受力與其他部位明顯不同，斜拉索豎向分力在支座附近效果減弱，因此，在實際設計時要加強橫梁設計。

表1 邊跨加密段腹板剪力

表2 中跨加密段腹板剪力

從表2中跨6個部位截面的邊腹板、內腹板及中腹板的剪力分析值來看，靠近塔根及1/4點處，邊腹板、內腹板所受剪力明顯大于跨中處腹板剪力，這與實際情況比較符合，實際設計中波形鋼腹板鋼板厚度也是從塔根向跨中處逐漸減小；邊、內腹板與中腹板的比值也在0.3至0.4之間，也符合假定混凝土腹板承受大部分剪力，波形鋼腹板承受一部分剪力。

3.2 活載作用下腹板剪力分布規律

由于橋面相對較寬且采用單索面矮塔斜拉結構型式，活載的偏載在各個截面也會有較大差異，特別是在極限偏載情況下，主梁受力情況也比一般截面復雜，需要針對每個腹板進行具體剪力分配分析。表3為1至9號截面各腹板在偏載作用下的最大、最小剪力值。

表3 活載作用下各腹板剪力

在活載作用下，從表3中可以看出，最大剪力與最小剪力在各個截面上的比例均符合內力假定分析，邊跨區域外腹板、內腹板、中腹板三道腹板的最大剪力出現在中腹板3號加密段，最大值為140.93 kN，中跨區域最大剪力出現在中腹板9號加密段，最大值為200.73 kN。

4 結論

波形鋼腹板組合箱梁將鋼、混凝土兩種不同材料有機結合起來，提高了結構的穩定性、強度及材料的使用效率，減輕了自重，同時，波形鋼腹板還能有效地解決混凝土腹板易開裂的問題[3]。波形鋼腹板與混凝土腹板組成超寬混合截面克服了單純波形鋼腹板或傳統混凝土腹板的缺點。

本文通過分析在自重和活載作用下各腹板的剪力分配比例，發現中跨相對邊跨而言，受力相對均勻，跨中腹板剪力小、塔根腹板剪力大符合連續剛構（斜拉）根部剪力大的結果；活載作用下，剪力值相對恒載作用下剪力值要偏小，也符合矮塔斜拉橋活載在整個荷載作用下的比重不高的橋型結構。但是，在恒載作用下，邊跨受力特性明顯與中跨不同，且有負剪力情況出現，這是在設計中需要注意的問題。

此外，由于矮塔斜拉橋索力可以調整，本文也是在給定索力、給定橫梁工況下的截面特性分析，索力調整對剪力的影響也是此類截面內力變化的一個重要方面。因此，如何合理設計混合截面各腹板剪力分配需要綜合各個方面、各種工況下的剪力分配。同時也要考慮在跨徑內布置橫隔板，其鋼橫梁的剛度大小、布置形式、位置及其與波形鋼腹板共同受力的空間關系確定也非常關鍵。