波形鋼腹板PC組合箱梁力學(xué)特性分析★

董 皓 張鴻亮 何見強(qiáng) 劉煦元 王立峰

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

?

·橋梁·隧道·

波形鋼腹板PC組合箱梁力學(xué)特性分析★

董 皓 張鴻亮 何見強(qiáng) 劉煦元 王立峰

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

以30 m跨徑波形鋼腹板橋的設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù),進(jìn)行了試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)與制作，通過理論分析方法，研究了波形鋼腹板PC組合箱梁的力學(xué)特性，分析了組合箱梁的正應(yīng)變分布以及鋼腹板的剪切破壞形式，并總結(jié)了波形鋼腹板組合箱梁橋的受力性能，為波形鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)提供參考。

波形鋼腹板，組合箱梁，力學(xué)特性，預(yù)應(yīng)力

0 引言

隨著社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋梁已經(jīng)不能滿足我國的發(fā)展需要，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新時(shí)期不僅要求建設(shè)的橋梁具有跨越能力大的特點(diǎn)，同時(shí)需要橋梁能夠滿足經(jīng)濟(jì)、適用、環(huán)保、美觀等要求。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋是在20世紀(jì)70年代由法國提出的一種采用波折形薄鋼板代替混凝土箱梁腹板的新型鋼—混組合橋梁，近年來國內(nèi)學(xué)者在抗剪性能、抗彎性能與抗扭性能方面進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究并得到組合箱梁在考慮剪力滯效應(yīng)和剪切變形效應(yīng)影響下?lián)隙鹊挠?jì)算公式以及分析組合結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和畸變的新方法[1]。波形鋼腹板組合箱梁橋具有良好的力學(xué)性能并且符合現(xiàn)代橋梁“輕質(zhì)、高強(qiáng)、大跨徑”的發(fā)展趨勢，是一種具有廣闊發(fā)展前景的橋梁結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)與制作

針對波形鋼腹板組合箱梁的受力特點(diǎn)及受力性能進(jìn)行研究，根據(jù)幾何相似原理進(jìn)行了試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)和制作，為確保試驗(yàn)安全順利進(jìn)行，保證試驗(yàn)梁的質(zhì)量以及試驗(yàn)測試所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，參考30 m跨徑波形鋼腹板橋的通用圖紙并依據(jù)JTG D62—2012公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)梁的選材、縮尺設(shè)計(jì)和施工制作等工序，并同時(shí)考慮材料加工和支模澆筑的方便來確定試驗(yàn)梁的具體尺寸和鋼筋布置。

1.1 設(shè)計(jì)尺寸

波形鋼腹板PC組合箱梁試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示。試驗(yàn)梁總長為3.12 m，計(jì)算跨徑2.98 m，如圖1所示；試驗(yàn)梁采用等截面設(shè)計(jì)，梁高均為290 mm，混凝土頂板寬為650 mm，厚40 mm，底板寬350 mm，厚50 mm，如圖2所示；波形鋼腹板的主要尺寸如圖3所示。

1.2 材料

全梁頂、底板采用C50混凝土，沿梁縱向設(shè)置一根在橫隔板處彎起的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，組合箱梁混凝土頂、底板中均按構(gòu)造要求配置普通鋼筋，腹板采用在工廠壓制成型的Q235A鋼。

1.3 整體布置

試驗(yàn)梁兩端簡支，截面形式為單箱單室，全梁沿縱向設(shè)置4道橫隔板，體外預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在端橫隔板上，試驗(yàn)梁中的預(yù)應(yīng)力鋼筋通過設(shè)置在中隔板的體外索轉(zhuǎn)向塊轉(zhuǎn)向成折線型，并在波形鋼板上下緣焊接栓釘來完成腹板與混凝土頂?shù)字g的連接。

1.4 制作過程

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行波形鋼腹板的加工與波形鋼板與栓釘?shù)暮附樱趯?shí)驗(yàn)室完成混凝土模板支護(hù)、普通鋼筋布置綁扎以及波形鋼腹板的安裝固定工作，進(jìn)行澆筑混凝土的同時(shí)在相應(yīng)部位安置應(yīng)變片及轉(zhuǎn)向塊等相關(guān)設(shè)備，待混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉。

2 加載方案

試驗(yàn)利用反力架做支撐并用液壓千斤頂對試驗(yàn)梁進(jìn)行靜力加載，用油壓表及壓力傳感器準(zhǔn)確控制加載過程中的荷載的大小。加載方式分為跨中加載及三分點(diǎn)對稱加載2種形式。在彈性范圍內(nèi)對試驗(yàn)梁進(jìn)行跨中對稱加載，以5 kN為增量進(jìn)行分級加載，待每級加載穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)記錄，直至加載到40 kN后卸載，等待2 h組合箱梁彈性變形恢復(fù)后再進(jìn)行三分點(diǎn)對稱加載直至彎曲破壞。

3 測點(diǎn)布置與測試內(nèi)容

試驗(yàn)的主要目的是研究波形鋼腹板PC組合箱梁的力學(xué)特性及受力特點(diǎn)，得到試驗(yàn)過程中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，在組合箱梁跨中及1/4截面頂、底板布置應(yīng)變片測量混凝土板正應(yīng)變的同時(shí)在相應(yīng)截面波形鋼板上布置應(yīng)變花來測量正應(yīng)變和剪應(yīng)變的分布情況，此外，由于試驗(yàn)所用為非完全剛性支座，所以需在跨中、支點(diǎn)、L/4截面的位置分別布置千分表，用于準(zhǔn)確測量試驗(yàn)加載過程中箱梁撓度的變化。具體布置情況如圖4,圖5所示。

4 理論分析

4.1 波形鋼腹板的軸向彈性模量

波形鋼腹板在軸向?yàn)檎郫B狀，在荷載作用下，波形鋼板沿梁縱向可以自由壓縮，因此軸向變形較大，表觀彈性模量Ex較小。如圖3所示波形鋼板受軸向力作用時(shí)，在一個(gè)波長范圍內(nèi)，沿各段長度積分并結(jié)合卡式定理可計(jì)算其軸向變形為:

其中，I為波形鋼板單位寬度的截面慣性矩,I=ht3/12；a，b，h分別為鋼板波紋的直板段、斜板段、波紋的長度；E0為鋼板的彈性模量。

對于與波形鋼板在沿梁縱向投影長度相等的平鋼板，其在軸向力P的作用下的變形為:

令Δ1=Δ2得:

本試驗(yàn)梁采用了以下尺寸:a=86 mm;b=86 mm;c=74 mm;t=2 mm。

代入上式得：

由此可見，波形鋼腹板的表觀彈性模量較小，在受到外荷載時(shí)，其幾乎不抵抗軸力和彎矩的作用。

4.2 波形鋼腹板組合箱梁正應(yīng)變分布

在波形鋼腹板組合箱梁中由于鋼腹板很薄并且沿梁的縱向具有一定的柔性，當(dāng)梁受外力而發(fā)生彎曲變形時(shí)，彎矩僅由組合箱梁的頂、底板承擔(dān)。同時(shí)頂、底板的正應(yīng)變分布符合線性規(guī)律，將梁的這種彎曲特性稱為“擬平截面假定”，在波形鋼腹板組合箱梁的設(shè)計(jì)和計(jì)算上、下翼板的應(yīng)變及應(yīng)力可得到一定的簡化。綜上所述，波形鋼腹板箱梁彎曲正應(yīng)變分布如圖6所示。

4.3 波形鋼腹板的剪應(yīng)力

波形鋼腹板組合箱梁與普通箱梁相比最大的特點(diǎn)是用波形鋼板代替了混凝土腹板，波形鋼腹板PC組合箱梁在受外荷載作用時(shí)，梁內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力將主要由鋼腹板承擔(dān)[2]，在處于純剪切狀態(tài)的波形鋼板微元體中，存在一個(gè)沿45°方向的主拉應(yīng)力和沿-45°主壓應(yīng)力，由于波形鋼板的截面厚度只有混凝土腹板厚度的幾十分之一，在主壓應(yīng)力的作用下將導(dǎo)致其破壞形式由強(qiáng)度破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。波形鋼板的屈曲形式包括整體屈曲、局部屈曲及合成屈曲三種[3]。一般來說，波紋較密時(shí)易發(fā)生波形鋼板整體屈曲，波紋較疏時(shí)，易發(fā)生波形鋼板局部屈曲，并可能在屈曲過程中伴隨著合成屈曲。

不考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)外荷載作用下波形鋼腹板的平均豎向剪應(yīng)力τs：

其中，S為荷載作用時(shí)的剪力；SP為計(jì)算斷面預(yù)應(yīng)力筋的豎向分力；Aω為鋼腹板截面面積；t,hw分別為鋼腹板厚度和高度。

在設(shè)計(jì)荷載作用下，由自由扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力τt：

其中，Mt為外荷載作用產(chǎn)生的扭矩；Am為組合箱梁截面中心線圍成的面積；α為修正系數(shù)。

因此，波形鋼腹板剪應(yīng)力可以認(rèn)為由其彎曲致剪應(yīng)力、自由扭轉(zhuǎn)致剪應(yīng)力、約束扭轉(zhuǎn)致剪應(yīng)力三部分構(gòu)成：

5 結(jié)語

波形鋼腹板PC組合箱梁作為一種新型的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，充分利用了混凝土抗壓、鋼板抗剪強(qiáng)度高的特點(diǎn)，總結(jié)波形鋼腹板組合箱梁力學(xué)特性與優(yōu)點(diǎn)如下：

1)波形鋼板沿梁縱向剛度較低，在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)波形鋼板不會像混凝土腹板產(chǎn)生抵抗反力，這樣預(yù)應(yīng)力便可以高效率的施加于混凝土頂、底板，減少了預(yù)應(yīng)力鋼材的用量。

2)波形鋼腹板組合箱梁受外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力主要由鋼腹板承擔(dān)，由于截面厚度較小導(dǎo)致波形鋼腹板的破壞形式為屈曲破壞，當(dāng)波紋較密時(shí)易發(fā)生波形鋼板整體屈曲，波紋較疏時(shí)，易發(fā)生波形鋼板局部屈曲，并可能在屈曲過程中伴隨著合成屈曲。

3)采用輕薄的鋼板代替混凝土腹板使組合箱梁的自重大幅減輕，當(dāng)采用懸臂澆筑施工時(shí)不僅可以增加每個(gè)施工節(jié)段的長度，還可以減少下部結(jié)構(gòu)施工的工程量，相比于同跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土橋，明顯縮短工期的同時(shí)可節(jié)約成本10%～30%[4]。

[1] 鄭尚敏.波形鋼腹板PC組合箱梁橋動力性能研究[D].南京：東南大學(xué),2016.

[2] 呂 梁,梁 斌,徐紅玉,等.波形鋼腹板箱梁剪切屈曲特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(3):70-75，8-9.

[3] 張 琪.波形鋼腹板PC組合箱梁腹板剪切屈曲穩(wěn)定性能研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2015.

[4] 高建峰.體外預(yù)應(yīng)力對波形鋼腹板PC組合簡支箱梁動力特性影響的試驗(yàn)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2015.

Analysis on mechanical properties of corrugated steel webs PC composite box girder★

Dong Hao Zhang Hongliang He Jianqiang Liu Xuyuan Wang Lifeng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Based on the design drawings of 30 m span corrugated steel webs bridge, this paper made the design and manufacture of test beams, through the theoretical analysis method, researched the mechanical properties of corrugated steel webs PC composite box girder, analyzed the positive strain distribution of composite box girder and the shear damage form of steel webs, and summarized the stress performance of corrugated steel webs composite box girder, provided reference for the analysis and design of corrugated steel webs composite box girder structure.

corrugated steel webs, composite box girder, mechanical property, pre-stress

1009-6825(2017)12-0135-03

2017-02-15★:大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:201610225062)

董 皓(1996- )，男，在讀本科生； 張鴻亮(1996- )，男，在讀本科生； 何見強(qiáng)(1996- )，男，在讀本科生； 劉煦元(1996- )，男，在讀本科生； 王立峰(1971- )，男，博士，教授

U448.216

A