南昌朝陽大橋波形鋼腹板抗剪力學性能分析

戴杰吉， 余天慶， 劉耀東， 張若鋼

(1 湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢　430068；2 中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

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南昌朝陽大橋波形鋼腹板抗剪力學性能分析

戴杰吉1， 余天慶1， 劉耀東1， 張若鋼2

(1 湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢430068；2 中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

利用MIDAS FEA建立朝陽大橋有限元仿真模型，并對比驗證了模型的適用性，通過對有限元模型的分析，驗證了波形鋼腹板的“手風琴”結構效應及擬平面假設，得出波形鋼腹板剪力傳遞能力與混凝土頂板和底板剪力的絕對值大小成反比，并且當剪力傳遞能力達到一定范圍后，波形剛腹板板厚增加并不會很大程度提高剪力傳遞能力，可將剪力傳遞能力范圍在60%～80%作為波形鋼腹板橋梁設計的參考依據。

波形鋼腹板；擬平面假設；剪力傳遞能力

1　工程概況

朝陽大橋為六塔單索面斜拉橋，主塔為鋼筋混凝土結構，主梁采用波形鋼腹板PC組合箱梁，斜拉索為扇形布置，每塔共2×9對索，跨徑布置為75 m+5×150 m+75 m，橋面寬度為37 m，結構體系為塔梁固結、梁墩分離，梁底設支座的結構體系，其結構形式及主梁斷面見圖1、圖2。

圖 1　主橋總體布置圖

圖 2　A-A截面測點位置及編號

2　荷載試驗及有限元模型

2.1荷載試驗

朝陽大橋設計為雙向8車道，通車前對橋梁進行了全橋靜載荷載試驗，主梁部分監測的數據主要包括豎向撓度、混凝土頂板和底板縱向應變、波紋鋼腹板剪應力。為了驗證有限元模型的適用性，考慮實測數據的完整性，選取荷載試驗中一個工況實測數據與有限元計算值進行對比。該工況為主塔附近最大負彎矩對稱加載，沿主梁縱向中心線對稱布置4排30 t加載車共30輛，其中1～3排每排對稱布置共8輛，4排對稱布置共6輛，其控制截面A-A及主梁測點布置見圖1、圖2。

2.2有限元模型

采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立分析模型，其中主塔、混凝土頂板和底板采用3D實體單元，波形鋼腹板采用2D板單元，斜拉鎖采用1D桁架單元進行模擬，考慮荷載試驗工況的影響范圍及作用位置，只建立19#墩、18#墩橋跨模型(圖1方框范圍)，提取已建好的MIDAS Civil桿系單元全橋模型的邊界條件施加到FEA模型斷面上，實測數據只考慮各測點在工況荷載作用下的增量變化，為了真實的進行模擬，本文分析也只考慮工況荷載作用下的增量對結構的影響。

2.3實測值與有限元計算值

提取有限元模型中各測點實測值與計算值進行對比，對比結果見圖3、表1和表2。從對比結果中可以看出撓度實測值與計算值的線性幾乎重合，應力、應變結果相差不大，趨勢一致，有限元模型較真實地模擬了實際情況。

圖 3　試驗工況主梁撓度

表 1　A-A截面試驗工況應變值

表 2　A-A截面試驗工況剪應力值

3　抗剪力學性能分析

3.1波形鋼腹板擬平面假定

“手風琴”結構效應是波形鋼腹板所具有的獨特特點，使其主要承受剪力、基本不承受彎矩[1]，根據這一效應，可以認為結構上作用的彎矩主要由混凝土頂板和底板承擔，因此可以認為：混凝土頂板和底板的縱向正應變相對波形鋼腹板會大很多，而波形鋼腹板沿高度范圍內的應變值接近于零[2]。通過施加前文中的荷載試驗工況，提取控制截面A-A的應變數據對這一假定進行了驗證。

考慮結構及荷載的對稱性，僅提取主梁斷面一側應變值，沿A-A斷面腹板高度方向10等分提取腹板應變值、3等分提取混凝土頂板和底板應變值，結果見圖4、圖5、圖6。

圖 4　FB1處正應變沿梁高分布圖

圖 5　FB2處正應變沿梁高分布圖

圖 6　FB3處正應變沿梁高分布圖

從圖4、圖5和圖6可以看出，混凝土頂、底板應變明顯大于腹板應變，并且腹板應變數值較小，在混凝土頂、底板和腹板的交界處還發生了明顯的應變突變現象，這些都驗證了波形鋼腹板所特有的“手風琴”結構特點產生的力學性能，同時，如果去掉提取的波形鋼腹板的應變點，將混凝土頂板和底板的6個點相連，可以近似構成一條虛擬平面[3]，這也驗證了波形鋼腹板組合箱梁的擬平面假定。

3.2剪力分析

波形鋼腹板所承擔的剪力可以根據其剪應力與波形鋼腹板截面面積的乘積得到[4]，因此可以通過此方法計算出波形鋼腹板的剪力，并與混凝土頂板和底板所承擔的剪力進行比較，計算出波形鋼腹板的剪力傳遞能力[5]，即波形鋼腹板所承擔剪力占腹板及混凝土頂板和底板共同承擔剪力的比重。通過剪力傳遞能力這一指標來分析混凝土頂板和底板所承擔剪力大小與鋼腹板剪力傳遞能力之間的關系，以及波形鋼腹板板厚對混凝土剪力傳遞能力的影響。

該橋每跨為9個標準節段懸臂澆筑施工而成，標準節段構造相同，為了得到不同混凝土頂板和底板承擔的剪力值，選取1-9號節段相同位置斷面共18個，斷面名稱從左到右分別編號為L1-1～L9-9、R9-9～R1-1(圖1)。

FEA中可以直接提取斷面的混凝土頂板和底板剪力值，但是每個斷面6道腹板所承擔的剪力值在FEA中無法直接提取，可以通過提取各道腹板斷面沿腹板高度方向10個等分點的剪應力值，圖7為L1-1斷面腹板剪應力沿高度分布規律，其他截面規律相同，可以看出腹板剪應力沿高度方向基本相等[6]，因此取這10個點的剪應力平均值即為腹板斷面剪應力，再乘以相應的腹板斷面面積，即得到每道腹板所承擔的剪力值，將6道腹板的剪力值求出并求和，即為該斷面6道波形鋼腹板所承擔的剪力總值。在此不作詳細計算，計算結果見表3。

圖 7　L1-1斷面腹板剪應力沿高度分布圖

表 3　剪力傳遞能力計算表

為了便于觀察波箱鋼腹板剪力傳遞能力的規律，表中數據按照混凝土頂板和底板剪力值進行排序，混凝土承擔剪力與剪力傳遞能力對比見圖8。

圖 8　剪力傳遞能力對比圖

從圖8縱向看，左邊負剪力區間，L4-4、3-3、2-2、1-1、9-9截面混凝土頂板和底板剪力的絕對值依次從大到小，剪力傳遞能力依次從小到大；右邊正剪力區間，很明顯的可以看出混凝土頂板和底板剪力值越大，波形鋼腹板剪力傳遞能力越小。從兩區間總體上看，混凝土頂板和底板剪力的絕對值越大，波形鋼腹板剪力傳遞能力越小。但是從圖中也可以看到，在L5-5、6-6、7-7截面卻并沒有這樣的規律，這是因為這3個截面正好處于車輛集中荷載作用處，其混凝土頂板和底板剪力額外增大，從而導致波形鋼判剪力傳遞能力迅速下降，所以其實質依然是混凝土頂板和底板剪力增大，波形鋼腹板剪力傳遞能力減弱。因此在設計波形鋼腹板橋梁時，剪力較小的位置也需要特別注意，這些位置可能會因為剪力傳遞能力過大導致腹板承受的剪力過大而破壞。

從圖8豎向看，隨著波形鋼腹板的板厚增加一倍，其剪力傳遞能力除了R1-1以外，均增大， R1-1處之所以減小，也是因為混凝土頂板和底板承擔的剪力值變大，從表3橫向上看，依舊可以發現該規律。此外，腹板厚度增加一倍，但是剪力傳遞能力并沒有太大的提高，因此，對于波形鋼腹板來說，不是板厚越大越好，在設計時應該考慮一個合適的范圍，從表中可以看出波形鋼腹板剪力傳遞能力在40%～96%之間，其中63%的數據分布在60%～80%之間，因此設計該類橋梁的時候，可以考慮將剪力傳遞能力范圍設在60%～80%。

4　結論

1)建立了朝陽大橋實體有限元分析模型，通過與實測數據對比，得出有限元模型能夠較真實地反應結構實際情況。

2)通過分析沿梁高方向腹板、混凝土頂板和底板的應變變化規律，發現腹板正應變明顯小于混凝土頂板和底板正應變，并且在波形鋼腹板與混凝土頂板和底板的結合處發生了應變突變，這證明了波形鋼腹板“手風琴”的結構特點，即主要承擔剪力、基本不承擔彎矩。同時混凝土頂板和底板的正應變雖然在與腹板結合處發生了突變，但是混凝土頂板和底板沿梁高方向應變依然呈線性分布，滿足擬平面假定。

3)通過選取18個不同的截面，分析波形鋼腹板的剪力傳遞能力，可以得出波形鋼腹板的剪力傳遞能力與混凝土頂板和底板所承擔剪力的絕對值大小成反比，因此在設計波形鋼腹板橋梁時，不可忽視這一點：混凝土頂板和底板剪力較小可能會導致波形鋼腹板因剪力傳遞能力過大而承擔剪力過大導致破壞。

4)通過對比發現，波形鋼腹板的剪力傳遞能力與波形鋼腹板板厚并不成正比，建議剪力傳遞能力在60%～80%之間，作為波形鋼腹板橋梁設計的一個參考依據。

[1]喬晉姿，祝兵.波形鋼腹板PC組合箱梁發展綜述及受力分析[J].四川建筑科學研究，2008，34(4):49-52.

[2]Elgaaly M，A Seshadri， Hamilton R W.Bending strength of steel beams with corrugated webs[J].Structure Engineering，1997，123(6):772-782.

[3]吳文清，葉見曙，萬水.波形鋼腹板-混凝土組合箱梁截面變形的擬平截面假定及其應用研究[J].工程力學，2005，22(5):177-180.

[4]周緒紅，孔祥福，侯健，等.波形鋼腹板組合箱梁的抗剪受力性能[J].中國公路學報，2007，20(2):77-82.

[5]李杰,武海鵬,陳淮，等.波形鋼腹板變截面連續體系梁橋鋼腹板承剪分析[J].橋梁建設，2015，(1):79-84.

[6]劉磊，錢冬生.波紋鋼腹板的受力行為[J].鐵道學報，2000，22(z1):53-56.

[責任編校： 張巖芳]

An Analysis on the Shear Mechanics Property of Corrugated Steel Webs in Nanchang Chaoyang Bridge

DAI Jieji1，YU Tianqing1，LIU Yaodong1，ZHANG Ruogang2

(1SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China；2BridgeScienceResearchInstituteLtd.，ChinaRailwayMajorEngineeringGroup，Wuhan430034，China)

Finite element simulation model of Chaoyang Bridge was established with MIDAS FEA, and the applicability of model was compared and verified. The “accordion” structure effect and quasi plane assumption of corrugated steel webs were testified through the analysis of finite element model, and it was concluded that the shear force transmission capacity is inversely proportional to the absolute value of the concrete roof and bottom shear force. Meanwhile, when the shear force transmission capacity reaches a certain range, it may not be improved greatly by increasing the thickness of corrugated steel webs, and the shear force range between 60% to 80% can be taken as the design reference of corrugated steel web bridge.

corrugated steel webs; quasi plane assumption; shear force transmission capacity

2015-09-28

戴杰吉(1990-)， 男， 湖北荊州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為橋梁病害監測與修補加固

1003-4684(2016)04-0113-04

TU312

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