波形鋼腹板PC連續剛橋和PC連續剛構橋受力性能分析

盧偉榮 付清華 馬光花

摘要： PC連續剛構橋的箱梁腹板用波形鋼板替代，形成一種新型組合結構，利用波形鋼腹板能夠較好地彌補預應力混凝土連續剛構橋受力的不足。根據國內外研究資料，利用有限元軟件從靜力性能和動力特性兩個方面比較分析了波形鋼腹板PC連續剛橋（SPC）與普通PC連續剛構橋（PC）的受力性能，探討波形鋼腹板PC連續剛橋設計中的優勢具有比較大的實際意義，能夠為該類橋在國內的工程應用提供參考。

關鍵詞：波形鋼腹板 ?PC連續剛構橋有限元受力性能分析

中圖分類號：U443 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Analysis on Mechanical Properties of PC Continuous Rigid Bridge and PC Continuous Rigid Frame Bridge with Corrugated Steel Webs

LU Weirong ?FU ?Qinghua ?MA Guanghua

（Gansu Vocational and Technical College of Communications，Lanzhou，Gansu Province，730070 China）

Abstract：The box girder web of PC continuous rigid frame bridge is replaced by corrugated steel plate to form a new composite structure. The corrugated steel web can make up for the lack of stress of prestressed concrete continuous rigid frame bridge. According to the research data at home and abroad， the mechanical properties of PC continuous rigid bridge with corrugated steel web （SPC） and ordinary PC continuous rigid frame bridge （PC） are compared and analyzed by using finite element software from two aspects of static performance and dynamic characteristics. It is of great practical significance to discuss the advantages of PC continuous rigid bridge with corrugated steel web in design. It can provide reference for the engineering application of this kind of bridge in China.

Key Words：Corrugated steel web;PC continuous rigid frame bridge;The finite element;Mechanical behavior analysis

普通箱梁的鋼筋混凝土腹板用8～25 mm的波形鋼板替代，形成波形鋼腹板PC組合箱梁。這種組合箱梁的鋼腹板以受剪為主，箱梁的混凝土底、頂板以受彎為主，充分發揮了鋼板抗剪、混凝土抗壓的材料特性，使材料的使用效率得到了提高，主梁輕型化的目標能夠有效地實現，并且使橋下的工程量和費用進一步減小，因此這種新型組合結構在橋梁方面有著非常好的應用前景[1-2]。

波形鋼腹板的研究主要集中在抗彎、抗剪、抗扭、畸變以及參數設計、屈曲特性、抗剪連接分析、橋面板的有效分布寬度、剪力滯效應等方面，在大跨度波形鋼腹PC連續剛構橋的受力性能方面研究很少。該文依托某座在建的波形鋼腹板PC連續剛構橋，利用限元軟件通過比較波形鋼腹板PC連續剛橋和PC連續剛構橋的受力，分析了它的受力性能。

1 波形鋼腹板PC連續剛橋和PC連續剛構橋靜力性能分析

1.1 工程概況

某高速公路在建大橋為五跨（58+3×100+58）波形鋼腹板PC連續剛構橋，總長425 m，橋面寬度：2×（0.5+10.75+0.75）m，橋面橫坡為雙向2%，縱斷面縱坡1.29%，墩臺徑向布置。

1.2PC連續剛橋有限元模型

對橋梁進行空間結構分析，有限元法根據不同類型的單元及其組合，結合各種邊界條件和要求，構建各種結構體系橋梁并模擬分析相應的荷載工況。

利用MIDAS軟件建立有限元模型，對橋梁結構進行仿真分析。橋墩、主梁采用空間變截面梁單元模擬，同時考慮梁體剪切變形，每個節點6個自由度。連續剛構橋的MIDAS模型劃分為382個單元、388個節點。

1.3波形鋼腹板和普通腹板連續剛構橋有限元計算

1.3.1兩種結構在各個工況下的計算結果分析

根據主梁設計斷面尺寸計算自重，混凝土容重取26.0 kN/m3。波形鋼腹板組合箱梁預應力張拉時，體內鋼束損失應力15%，控制應力1395 MPa;體外鋼束損失應力10%，控制應力1 116 MPa。公路一級荷載。

波形鋼腹板連續剛構橋的縱向位移主要由系統溫度變化產生。結構計算中必須考慮梯度溫差產生的溫度應力，因為它可能達到甚至超出活載內力。根據《公路橋涵設計通用規范》第4.3.10條計算溫度力，鋪裝層瀝青混凝厚度取l00 mm，梁頂面降溫5 ℃，升溫溫差10 ℃。定義4種荷載工況來比較分析在靜力狀態下兩種結構的力學性能，具體見表1。

表1 各工況的荷載組合

工況I （成橋狀態）

工況II（基本組合）

工況III（短期效應組合） 工況IV （長期效應組合）

1.2自重+1.2二期恒載+1.2預應力 1.2自重+1.2二期恒載+1.2預應力+1.12梯度溫度+1.4車道荷載 自重十二期恒載+預應力+0.8梯度溫度+0.7車道荷載 自重十二期恒載+預應力+0.8梯度溫度+0.4車道荷載

用SPC代表波形鋼腹板PC連續剛構橋;用PC代表普通PC連續剛構橋。

（1）SPC和PC在各工況下軸向變形計算。

通過分析比較兩種不同腹板連續剛構橋在4種荷載工況下的軸向變形數據見圖1～圖4，發現SPC連續剛構橋的軸向變形遠大于PC連續剛構。仿真分析結果和理論計算結果一致，這是由于折疊狀波形鋼腹板彈性模量EX比鋼板彈性模量E0底造成的，EX是E0的幾千分之一到幾百分之一[3]。試驗和理論分析結果一致，鋼腹板基本上不能抵抗軸向力。所以，設計上可以認為腹板不承受軸向力而軸向力僅由上、下混凝土板承擔[3]。

（2）SPC和PC在各工況下位移計算。

波形鋼腹板連續剛構橋中跨跨中的豎向撓度分別為4.05 cm、5.25 cm、4.76 cm、4.73 cm;PC連續剛構橋為3.15 cm、3.98 cm、3.66 cm、3.62 cm。通過分析比較兩種不同腹板連續剛構橋在4種相同荷載工況下的位移計算結果，發現支座處的豎向撓度大小很接近，跨中方向SPC連續剛構橋的豎向撓度明顯變大。這是由于波形鋼腹板的褶皺具有三維柔性，使其不具備抗彎能力 [4]。在外荷載作用下，波形鋼腹板對主梁抗彎幾乎不起作用，抗彎能力主要由組合箱梁上下混凝土板提供[5]。

2 波形鋼腹板和普通腹板連續剛構橋的動力特性分析

橋梁結構的自振特性分析、外力強迫振動是動力學分析的主要內容。固有頻率與振型分析就是自振特性分析 [6]。

波形鋼腹板PC連續剛構橋的動力特性計算采用Lanczos向量直接迭代法。

2.1兩種結構的動力特性分析

2.1.1 自振特性對比

為了具有可比性，采用MIDAS建立相同跨度和尺寸的PC連續剛構橋空間有限元模型。在有限元模型中采用考慮梁體剪切變形的空間變截面梁單元模擬橋墩、主梁。建模時采用實際結構的具體尺寸和形狀。

2.1.2 自振特性分析

用SPC代表波形鋼腹板PC連續剛構橋;用PC代表PC連續剛構橋。兩種結構的動力特性采用子空間迭代法分別計算。 [7-8]，兩種結構前20階自振頻率的對比分析結果，具體見圖5。

3結論

該文利用有限元軟件MIDAS從靜力性能和動力特性兩個方面比較分析了波形鋼腹板PC連續剛橋（SPC）與普通PC連續剛構橋（PC）的受力性能，得到如下結論。

（1）通過兩種結構在不同荷載工況下的軸向變形計算分析，發現SPC連續剛構橋的軸向變形遠大于PC連續剛構。理論分析結論和實際計算結果一致，鋼腹板基本上不能抵抗軸向力。所以，設計上可以認為腹板不承受軸向力而軸向力僅由上、下混凝土板承擔。

（2）通過分析比較兩種不同腹板連續剛構橋在4種相同荷載工況下的位移計算結果，發現支座處的豎向撓度大小很接近，跨中方向SPC連續剛構橋的豎向撓度明顯變大。這是由于波形鋼腹板的褶皺具有三維柔性，使其不具備抗彎能力。在波形鋼腹板組合橋設計時，可以忽略波形鋼腹板的抗彎作用。

（3）由于普通箱梁的鋼筋混凝土腹板被波形鋼板替代，所以SPC連續剛構橋的自重輕20%左右。在地震發生時，地震荷載使PC連續剛構橋墩臺產生的水平地震作用也大于SPC連續剛構橋。

（4）兩種連續剛構橋的腹板不同，但箱梁的頂底板都是預應力鋼筋混凝土，所以它們的橫彎振動的自振頻率比較接近，橫向剛度相差較小。

（5）通過兩種結構自振頻率的比較，SPC連續剛構橋的頻譜較密集，地震影響系數比較小，所以采用波形鋼板能夠使橋梁結構的抗震性能提高。

參考文獻

[1] 羅奎，冀偉，張經偉.基于動力剛度矩陣的波形鋼腹板PC連續箱梁橋自振頻率分析[J].公路交通科技，2020，37（2）：91-98.

[2] 胡方健，陸元春，張曉松.波形鋼腹板PC組合橋梁關鍵技術研究[J].建設科技，2018（16）：70-72.

[3] 姜海波，陳遠航，劉博，等.大跨徑波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋靜力特性研究[J].廣東建材，2018，34（7）：56-58.

[4] 張紫辰，金學軍，甘亞南.波紋腹板鋼箱組合梁豎向彎曲力學性能[J].中國鐵道科學，2019，40（6）：52-59.

[5] 冀偉，藺鵬臻，劉世忠.波形鋼腹板PC組合箱梁橋的撓度計算與分析[J].西南交通大學學報，2018，53（1）：46-55.

[6] 張文泰.波形鋼腹板組合箱梁非線性力學行為研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2020.

[7] 吳帥.波形鋼腹板箱梁橋靜力性能研究[J].山東交通科技，2021（1）：87-89，111.

[8] 沈曦文，彭晶.寬幅大跨預應力混凝土波形鋼腹板組合箱梁橋抗震性能研究[J].青海交通科技，2020，32（6）：102-107.