波纹钢腹板混凝土叠合梁桥空间网格分析.pdf

波纹钢腹板混凝土叠合梁桥空间网格分析 一、波折腹板桥简介 由法国工程界最早提出的波形钢腹板结构，是用弯成波折形状的钢板代替混 凝土腹板，与混凝土顶底板形成组合箱梁体系新型结构，由混凝土顶底板、波折 钢腹板、横隔板、体内外预应力钢束等构成。通过采用折叠形状的钢腹板组成钢 与混凝土的组合箱梁截面体系，能够更加有效地施加预应力，如图1.1 所示。 图1.1 波形钢腹板箱梁结构示意 波折钢腹板组合箱梁主要利用波折钢腹板较高的抗剪承载性能承担截面剪 力，混凝土顶、底板单独承担截面弯矩；通过波折钢板的自由压缩性减小预应力 施加量。波折钢腹板箱梁恰当地将钢、混凝土两种不同材料结合起来，提高了结 构的稳定性、强度及材料的使用效率。波折钢腹板组合箱梁的优越性具体表现在： ～ 1)波折钢板充当腹板，使得箱梁自重大为降低，大约可以减轻20% 30%；而 可以增大跨径、减少基础用量； 2)波折钢腹板纵向刚度较低，因此对上、下混凝土板的徐变、干燥收缩变形 不起约束作用，避免预加力向钢腹板的转移，大幅度提高施加预应力的效率； 3)波折钢板具有较高的抗剪屈曲能力，因而可以做得很薄，且无需纵横向加 劲； 4)波折钢腹板制作可以实行工厂化，并且伴随着自重减轻，架设施工容易； 5)波折钢腹板使桥梁具有较强的美感，易与周围的环境相协调，是山区、风 景区较好的桥型选择； 6)采用体外预应力筋方式，可免除在混凝土腹板内预埋管道的烦杂工序，缩 短了工期，使施工更加方便，利用传统的施工设备和方法就能完成桥梁的架设， 对于因工期受到制约的地区，施工非常有效。国内外施工完成或在建的波纹腹板 桥示例见图 1.2~ 图1.5。 图1.2 法国Cognac 桥（mm） 图1.3 长征桥 图1.4 三道河桥 图1.5 鄄城黄河公路大桥 二、波纹腹板桥受力特点及分析现状 波纹腹板组合梁桥的受力特点主要体现在以下几个方面： 1）在活载下单箱多室波纹钢腹板组合箱梁断面各腹板的空间受力分配是计 算各道波纹钢腹板受力及其结构设计的关键； 2）对于波纹钢腹板叠合梁斜拉桥而言，宽箱截面在斜拉索力传递给整体断 面的过程及其结构受荷在断面上表现为受力的不均匀，实质上就是剪力滞效应， 且随施工过程结构体系的改变而变化，不能采用一个系数解决； 3）横向受力非常关键，横梁与波纹腹板断面的空间受力关系需要解释清楚； 4）波纹钢腹板箱梁断面的扭转和畸变是该类型桥梁的分析难点，无法采用 传统计算方法解决； 5）对于波纹钢腹板组合箱梁断面，特别需要关注混凝土顶板和底板的剪力 流产生的水平剪应力，该水平剪应力与正应力将合成为顶板和底板面内的主拉应 力和主压应力，主拉应力会引起顶板和底板的斜向开裂，故对顶板和底板主应力 的计算、控制和相关的配筋设计非常重要； 图2.1 组合梁混凝土顶底板剪应力及斜裂缝示意图 6）现行规范体系没有波纹钢腹板组合箱梁断面的极限承载力的计算方法， 其受弯和受剪承载力有波纹钢腹板顶底板各自的承载能力决定；而面内配筋方法 在现行规范中是缺失的。 而目前对于波折钢腹板组合梁桥的受力分析,常用的计算方法为纵向计算与 横向计算分开计算得到结构的纵、横向总体效应，再采用一些大型实体有限元软 件计算局部效应。 计算纵、横向总体效应时，往往采用平面杆系或空间杆系计算，叠合梁全断 面认为是满足平面假定的，遇到的剪力滞问题通常在计算中引入有效分布宽度来 近似解决，遇到的活载偏载也采用偏载系数近似解决。通过这种方法，各种总体 结构反应以及荷载作用可以在总体计算中近似反映出来，如斜拉索的作用、钢－ 混凝土叠合梁中混凝土顶板和底板的收缩和徐变、桥面的局部温差等效应，计算 目的是与现行规范相协调。下图2.2 为针对叠合梁斜拉桥采用的空间杆系半桥鱼 骨模型。 图2.2 半桥的鱼骨计算模型 采用实体单元建立全桥模型或局部模型的目的是检查钢－混凝土叠合梁截 面中的一些局部受力情况，如钢板的应力情况、钢板的局部稳定、钢－混凝土桥 面之间界面剪力的分