節段預制拼裝波形鋼腹板箱梁橋偏載作用下扭轉性能試驗研究*

代岳龍　杜　松　鄭和暉　王　敏

(中交第二航務工程局有限公司1)　武漢　430040)　(長大橋梁建設施工交通行業重點實驗室2)　武漢　430040)

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節段預制拼裝波形鋼腹板箱梁橋偏載作用下扭轉性能試驗研究*

代岳龍1)杜松1,2)鄭和暉2)王敏2)

(中交第二航務工程局有限公司1)武漢430040)(長大橋梁建設施工交通行業重點實驗室2)武漢430040)

為研究節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋偏載作用下的扭轉性能，通過4個縮尺試驗模型試件及8個足尺數值模型試件，考察節段式箱梁在偏載作用下的撓度及應力發展規律，分析成型工藝、接縫數量、橫隔板布置、波紋形狀等參數對節段式箱梁扭轉特性的影響.結果表明，相對于整體式梁，節段式梁偏載作用下的撓度增大效應可提高10%～15%；節段式箱梁因偏載引起的剪應力增大系數可達1.5倍，尤其需引起注意；成型工藝、橫隔板布置對其扭轉增大效應影響較大，而波高、接縫數量則影響較小.根據能量法提出考慮接縫影響的該類型橋梁抗扭剛度實用計算方法，同時給出了一些設計建議.

波形鋼腹板箱梁；節段預制拼裝橋梁；接縫；偏載作用；抗扭性能；試驗研究

0　引　　言

近年來，波形鋼腹板組合箱梁橋以其自重輕、預應力效率高、耐久性好、造型美觀等特點在我國得到了大力推廣[1].與常規混凝土箱梁相比，因波形鋼腹板面內剛度小，波形鋼腹板組合箱梁在偏載作用下的扭轉和畸變效應更為明顯.目前國內外學者對此已經開展了一些研究，包括偏載下的抗扭特性、彈性階段應力及極限階段抗扭承載力計算方法等，但都基于整體式梁[2-6].對于采用節段預制拼裝技術進行施工的波形鋼腹板組合箱梁[7]，其抗扭特性是否受節段間接縫、波腹板連接形式等影響還有待研究.

文中以采用節段預制拼裝波形鋼腹板組合結構箱梁橋為研究對象，選取關鍵設計參數制作了4片縮尺試驗梁，考察偏心加載過程中節段拼裝箱梁撓度及應力發展規律，并補充8片足尺數值模型梁，分析成型工藝、接縫數量、橫隔板布置、波紋形狀等對扭轉特性的影響，提出考慮接縫影響的抗扭剛度實用計算方法.

1　試驗基本情況

1.1試件類型

根據研究目的，確定的試驗參數包括：成型工藝(整體及節段)、節段連接形式(栓接及焊接)、中橫隔板數量(2和4)等.根據參數，制作4個試件，整體澆注1個，節段澆注3個，見表1.

表1　模型試件類型

1.2試驗梁設計及制作

試驗以我國公路橋梁3車道常用的箱形截面、梁長40～60 m的簡支結構為原型.根據相似理論、試驗精度要求及試驗條件，取用1∶10的縮尺比，采用的鋼材與原型相同(Q345)，小顆粒骨料混凝土近似與原型相同(C50).模型梁總長5 m，計算跨徑為4.7 m，節段長度50～80 cm.截面形式為單箱單室，具體構造見圖1.波腹板板厚為2.5 mm，彎折角度37°，波高25 mm.梁體內預應力采用體內體外混合配束形式，預應力施加水平應保證加載過程中底板下緣始終不出現拉應力，其中體外預應力通過轉向塊形成雙折線布置.節段式模型梁采用長線匹配法預制成型，即分2次間斷澆筑混凝土頂底板，波腹板則一次連接成型固定于模板上.

圖1　模型梁構造示意(單位：cm)

1.3試驗梁加載與測試

試驗梁加載分偏心與對稱2種工況，均在彈性階段內進行，荷載以集中力形式作用于梁體三分點處；測試內容包括梁體豎向及側向撓度、波形鋼腹板應變、頂底板混凝土應變等，見圖2～圖3.

圖2　試件加載及測點布置

圖3　試驗實施情況

1.4試驗梁分析模型的建立

采用有限元程序ANSYS建立試驗梁三維分析模型(見圖4)，一方面為校核試驗結果；另一方面可修正并確定節段梁接縫計算參數取值.混凝土頂底板、波形鋼腹板、預應力鋼束分布采用solid45、shell63、link8單元模擬，波形鋼腹板與頂底板采用共節點剛接處理.對于節段式梁，接縫處的內力傳遞采用接觸單元(targe170和conta174)模擬，并考慮接觸面之間的摩擦.在參考其他計算經驗基礎上[8]，通過與試驗結果對比不斷試算，確定法向接觸剛度因子FKN、剪切剛度因子FKT、接觸面摩擦系數等.模型加載分對稱和偏心兩種工況，計算梁體關鍵截面處撓度、應力等.

圖4　試驗梁三維分析模型

2　試驗結果及分析

2.1試驗梁豎向撓度

圖5a)為節段梁試件J-05在對稱和偏心荷載作用下加載點處荷載-撓度曲線.在相同荷載等級下，加載點豎向撓度(理論及實測值)在2種工況下有明顯不同，表明箱梁在偏心荷載作用下發生了剛性扭轉.將偏載作用下的豎向撓度扣除對稱作用下的相應值，即為扭轉所產生的附加撓度，該附加撓度與對稱荷載作用下的彎曲撓度比值被定義為增大效應.圖5b)為4個試件的豎向撓度增大效應實測值及理論值，對比發現：(1)相對于整體式梁，節段式梁因扭轉所產生的撓度增大效應更加明顯(節段式梁撓度增大值為1.15～1.3倍，整體式梁增大值為1.05～1.14倍)，主要原因在于節段式梁混凝土頂底板干接縫界面在扭矩作用下存在微小錯動變形；(2)波形鋼腹板節段間采用栓接或焊接連接形式對扭轉撓度增大效應基本無影響；(3)橫隔板數量的增加可以有效降低扭轉撓度增大系數.

圖5　試驗梁豎向撓度測試及分析結果

2.2試驗梁頂底板縱向應變

圖6a)，b)為整體梁與節段梁在兩種荷載工況下的底板縱向應變發展情況.可以看出，在偏載作用下，箱梁頂底板縱向將產生彎曲應變和扭轉畸變應變，將偏心工況下的應變扣除對稱工況下的應變即可得縱向翹曲應變.圖6c)，d)給出了不同試件頂底板翹曲應變與彎曲應變之比.可以看出，整體式梁翹曲應變為彎曲應變的5%～10%，節段式梁翹曲應變為彎曲應變的5%～20%；隨著中橫隔板數量增加，翹曲應變占比彎曲應變有所下降，表明橫隔板能有效抑制箱梁框架變形.

圖6　試驗梁頂底板縱向應變測試及分析結果

2.3試驗梁波形鋼腹板扭轉剪應力

圖7a)為節段梁J-04在兩種荷載工況下的波形鋼腹板剪應力隨荷載發展情況.在偏載作用下，波形鋼腹板將產生彎曲剪應力和扭轉剪應力.同樣地，將偏心荷載作用下的剪應力減去對稱荷載作用下的剪應力，即得到附加剪應力.圖7b)為不同試件附加剪應力與彎曲剪應力之比.整體式梁附加剪應力為彎曲剪應力的15%～25%；節段式梁附加剪應力為彎曲剪應力的25%～45%，區別在于節段梁接縫處波形鋼腹板承擔了截面更多剪力，這也說明對于節段式梁偏載引起的附加剪應力需引起重視.

圖7　試驗梁腹板剪應力測試及分析結果

3　參數影響分析

3.1參數選取及模型建立

為使上述模型梁試驗結論更具有合理性和實用性，建立50 m跨徑節段預制拼裝波形鋼腹板簡支箱梁橋有限元模型.根據研究目的，選取成型工藝、接縫數量、波紋形狀(波高)和中橫隔板數量4個參數，補充設計了8個數值模型，對該類型橋梁偏載作用下的抗扭性能進行數值試驗研究.

表2為不同數值模型的參數，圖8為有限元模型.根據前述數值分析與試驗數據的校核結果，確定有限元模型中接縫計算參數如下：法向接觸剛度因子FKN=1.0，剪切剛度因子FKT=0.1，接觸面摩擦系數取為0.8.

表2　抗扭分析模型參數表

圖8　試驗梁三維分析模型

3.2影響因素分析

1) 成型工藝圖9為不同截面處整體式和節段式梁因扭轉所產生的附加效應(撓度增大、翹曲正應力、附加剪應力等)分析結果.可以看出：(1) 偏載下整體式梁撓度約為對稱情況的1.12倍，而節段式梁為1.18倍，節段式梁因接縫的存在其扭轉增大效應更明顯，這與縮尺模型試驗結果相吻合；(2) 應力增大方面也表現出同樣的規律，且與試驗結果吻合較好，例如偏載作用所產生附加剪應力為彎曲剪應力的50%左右.

圖9　不同成型工藝下扭轉增大效應對比

2) 接縫數量根據50 m跨箱梁橋常規節段劃分，分析11，13，以及15條接縫數量對箱梁扭轉附加效應的影響.圖10則給出了不同截面處3個試件因扭轉所產生的附加效應(撓度增大、翹曲正應力、附加剪應力等)分析結果.箱梁在偏心荷載作用下除豎向撓度增大系數隨著接縫數量增加而增大外，其余應力附加比例均無明顯變化.

圖10　不同接縫數量下扭轉增大效應對比

3) 鋼腹板波紋形狀圖11為不同截面處采用3種波形的試件因扭轉所產生的附加效應(撓度增大、翹曲正應力、附加剪應力等)分析結果.腹板波紋形狀對箱梁扭轉附加效應基本無影響，例如，豎向撓度增大系數均為1.2倍；波腹板剪應力均放大至1.6倍等.

圖11　不同波形下扭轉增大效應對比

4) 中橫隔板數量圖12為不同截面處采用3種橫隔板布置的試件因扭轉所產生的附加效應(撓度增大、翹曲正應力、附加剪應力等)分析結果.隨著中橫隔板數量的增加，箱梁豎向撓度及頂底板正應力因扭轉產生的增大效應減少，而波腹板剪應力放大效應則基本不受影響.需要注意到的是，橫隔板數量從2道增加至4道，箱梁豎向撓度及頂底板正應力增大效應未出現明顯變化.對比分析箱梁不同位置處可知，增加橫隔板數量更能改善跨中截面扭轉受力性能.

圖12　不同中橫隔板數量下扭轉增大效應對比

4　節段預制拼裝波腹板橋梁抗扭剛度的實用計算方法

目前，對波形鋼腹板組合箱梁的扭轉計算主要集中在內力，對抗扭剛度計算關注較少.盡管通過試驗研究和數值分析可得到扭轉剛度，但過程較為復雜.為此，提出一種考慮接縫折減的節段預制拼裝波形鋼腹板箱梁橋扭轉剛度實用算法.

波形鋼腹板箱梁是典型的薄壁構件，可從能量守恒的角度研究箱梁的扭轉，即外力做功與箱梁本身應變能相等.設所受扭矩為T，扭轉角為dθ=θ′dz，扭率為θ′、扭轉產生的剪應力為τ，剪應變為γ，則：

(1)

(2)

已知剛性扭轉剛度K=T/θ′，同時引用日本學者關于本谷橋的試驗研究成果，對波形鋼腹板和混凝土頂底板乘以調整系數1+α、1-α，其中α=0.4H/b-0.06.則

(3)

式中：Am為箱形面積；b為箱室寬度(不含翼緣板)；H為箱梁頂底板中心距；Gs和Gc為鋼材、混凝土剪切彈性模量；t1/t2為混凝土頂板、底板的厚度；t3/t4為波形鋼腹板厚度

節段預制拼裝波形鋼腹板箱梁橋的扭轉剛度經過接縫折減系數進行調整，即

(4)

式中：μθ為抗扭剛度接縫折減系數，根據前述模型試驗及理論分析結果，相對于整體式梁，節段式梁因扭轉所產生的撓度增大系數偏大10%～15%，且與接縫數量、橫隔板布置相關.為此，建議該系數μθ取值為0.85～0.90，接縫數量多且橫隔板布置較少可取較小值，反之則可取較大值.

5　結　　論

1) 相對于整體式波形鋼腹板組合箱梁，節段式梁由于混凝土頂底板干接縫界面存在微小錯動變形，因扭轉效應所產生的撓度和應力增大效應均有所提高；節段式梁撓度增大系數隨著接縫數量的增加而增加，約為為整體式梁的10～15%；節段式梁因接縫處波腹板承剪比例大，偏載作用下所產生的附加剪應力可達彎曲剪應力的50%以上，需引起足夠注意.

2) 采用經模型試驗修正后的干接縫模擬方法，選取關鍵參數和50 m跨徑實橋進行影響因素分析，結果表明，成型工藝、橫隔板布置對箱梁撓度及應力增大效應影響較大，波形、接縫數量則影響較小.

3) 根據能量法和試驗分析結果，提出了一種節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋抗扭剛度實用計算方法，并給出了考慮接縫的折減系數取值.

4) 對于節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋，宜適當增加橫隔板布置和波形鋼腹板板厚等，提高箱梁抗扭剛度，有效控制結構應力水平.

本試驗及分析主要針對節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋彈性階段的抗扭受力性能，揭示了撓度及應力增大規律.為推廣應用該新型結構，還需就抗扭承載力、偏載系數設計方法等方面開展進一步的研究.

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Experimental Study on Torsional Behavior of Precast Segmental Box Girders Bridge with Corrugated Steel Webs under Eccentric Loading

DAI Yuelong1)DU Song1,2)ZHENG Hehui2)WANG Min2)

(CCCCSecondharborengineeringcompanyLTD.,Wuhan430040,China)1)(KeyLabofLarge-spanBridgeConstructionTechnology,MinistryofCommunication,Wuhan430040,China)2)

In order to study the torsional behavior of precast segmental box girders bridge with corrugated steel webs under eccentric loading, four 1:10 scaled models of segmental beam are manufactured for the first time, and eight full-scale FEA model are built considering the joint between segments. Deflection and stress variations in the segmental box girder under elastic stage are investigated. The influence of key parameters to torsional behavior, such as, forming processes, number of joints, layout of diaphragm, web shape, is analyzed. The results show that the torsional enlargement effect of deflection can improve more than 10%～15% in segmental beam, compared to monolithic beam. The torsional enlargement effect of shear stress, which can be increased by 1.5 times due to the eccentric load, must be taken seriously consideration for segmental beam. The forming processes and layout of diaphragm have significant influence to torsional enlargement effect, while the numbers of joints and web shape have little influence to it. Finally, based on the energy method, a practical calculation method considering the joint, for the torsional stiffness of this bridge is proposed, and some design suggestions are given.

box girders bridge with corrugated steel web; precast segmental bridge; joint; eccentric loading; torsional behavior; experimental study

2016-05-24

U448.21

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.020

代岳龍(1987- )：男，工程師，主要研究領域為橋梁工程建設及技術管理

*交通部應用基礎研究項目資助(201431949A230)