大跨波形钢腹板连续梁桥钢腹板计算分析.pdf

作者简介: 刘特(1991-) , 女, 四川绵阳人, 在读硕士研究生, 研究方 向: 桥梁结构计算。 大跨波形钢腹板连续梁桥钢腹板计算分析 刘 特,陈 娇,张士秋 ( 西南科技大学环境与资源学院,四川 绵阳 621010) 摘 要:依托某波形钢腹板箱型连续梁桥为工程背景, 使用Midas/civil有限元软件建立全桥整体模型的方法对该 桥进行受力分析,针对施工阶段波形钢腹板的剪应力进行 了计算分析,并依照现行规范对钢腹板的局部屈曲强度、 整体屈曲强度和合成屈曲强度进行稳定性验算,评估了该 桥的安全性。结果表明,该桥的屈曲稳定性和剪应力指标 满足要求,按照钢腹板承担所有剪力设计是偏安全的考虑。 关键词:波形钢腹板;剪应力;屈曲;稳定性;有限 元模型 中图分类号:U442 文献标志码:B 文章编号:1672-4011(2016)09-0107-03 DOI:10 .3969/j .issn .1672-4011 .2016 .09 .049 0 前 言 波形 钢腹 板PC箱 梁 桥是 一种 钢与 混 凝土 的 组 合 结 构 1,这一结构就是用波形钢板取代传统预应力混凝土箱 梁的混凝土腹板。 这种桥型有两个显著特点:将厚度为3080 cm的 混凝土腹板用1030 mm的钢板替换,减轻结构自重,并 由钢腹板承担剪力;由于顶底板放置空间有限,使用体 外索来代替部分或全部的体内索。这种桥型起源于法国, 因其与传统的PC箱梁桥相比有明显优势,在德国、日本等 国家得到了广泛应用。 由于该种桥型用钢腹板代替了混凝土腹板,所以破坏 形式也由混凝土腹板的强度破坏转变为钢腹板发生屈曲 现象 2。 波形钢腹板屈曲模式主要有局部屈曲、整体屈曲和合 成屈曲三种。 在悬臂施工中,为了保证施工安全,必须按照有关标 准进行计算。对于波形钢腹板而言,应当进行钢腹板所传 递的剪应力和屈曲的安全稳定性验算。本文结合实际工程, 按照规范要求对某波形钢腹板桥进行了剪应力计算和屈曲 稳定分析,可供相关工程计算参考。 1 工程概况 该桥为83 m+110 m+83 m三跨波形钢腹板PC连续梁 桥。箱梁的型式为单箱双室截面。箱梁顶板为1 .5%双向横 坡。箱梁跨中及边跨现浇段梁高3 .0 m,桥墩与箱梁相接 的根部断面及墩顶0号梁段高6 .5 m。从跨中至根部,梁高 以1 .8次 抛 物 线 变 化。箱 梁 底 板 厚 从 箱 梁 根 部 截 面 的 110 cm渐变至跨中及边跨支点截面的30 cm,按1 .8次抛物 线变化。箱梁顶板厚30 cm,墩顶局部加厚至70 cm。 除边端横梁和支点横梁为混凝土腹板及钢-混组合腹 板外,其余均为1600型波形钢腹板,波形钢腹板钢材为 Q345C低合金高强度结构钢,钢板厚1424 mm。波形钢 腹板波长1 .6 m,波高22 cm,水平面板宽43 cm,水平折 叠角度为30 .7 ,弯折内径R最小值为15d(d为波形钢腹 板厚度) 。钢材弹性模量E=2105MPa,泊松比=0 .3。 2 波形钢腹板施工阶段剪应力分析 波形钢腹板PC箱梁桥的整体受力与传统的梁桥类似, 故其设计计算也类似,可以采用Midas/civil桥梁有限元软 件完成。但由于波形钢腹板桥所受剪应力由钢腹板完全承 担,Midas/civil中关于钢腹板剪应力计算的内容不准确, 为了结构的安全稳定性考虑,需要根据有关规范、标准进 行单独验算。 2 .1 Midas/civil有限元模型建模方法 全桥结构计算根据设计图纸中的结构布置和结构尺寸, 将全桥结构离散成96个节点,75个单元。总体计算采用平 面杆系理论,主桥模型中的连接与图纸保持一致,主桥两 端采用弹性连接,一号主墩采用类型为111000的刚性连 接,二号主墩采用类型为011000的刚性连接。主梁为平面 梁单元,主梁截面采用Midas/civil软件中的波形钢腹板箱 梁截面进行模拟,钢腹板按承受全部剪力进行设计。主梁 的材料根据施工图纸设计,工况的模拟与现 场实 际情 况 一致。 2 .2 波形钢腹板剪应力计算 本桥波形钢腹板钢材为Q345C低合金高强度结构钢, 钢板厚1424 mm。根据DB41/T643-2010 河南地方公路 波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范 3( 以下简称 规 范 ) 可知,波形钢腹板的弯曲剪应力按式(1) 进行计算。 a=V -Vp tihw (1) 根据 规范 3中第 6 .3 .5条的表9,波形钢腹板的抗 剪强 度 设 计 值 为150 MPa( 厚 度1635 mm时) 或 160 MPa( 厚度16 mm时) 。 计算结 果 如 表1所 示,腹 板 承 受 的 剪 力 最 大 值 为 14 644 kN, 位置在0#块后端;最大剪应力值为61 .6 MPa, 位置在10号块后端。而Q345钢材的允许剪应力为剪应力 最大值为150 .0 MPa,满足要求。 3 波形钢腹板屈曲稳定分析 波形钢腹板屈曲稳定性计算可以采用有限变形理论的 701 有限元方法作为安全性验算,也可以使用压杆稳定性理论 的有限元法。本章以压杆理论为计算基础,分析了最不利 工况下,即最大悬臂阶段波形钢腹板的屈曲稳定性。如图1 所示,设计上追求的目标是使剪切屈曲系数30 .6(s= y/cr,l或s=y/cr,g) ,即发生在屈服区( 塑性区) ,但 屈曲发生在非弹性区也是允许的。 图1 考虑非弹性的剪切屈曲强度线 3 .1 局部屈曲验算 根据 规范 3,波形钢腹板的局部屈曲按下式验算: cr,l y 0 .36 (2) cr,l=k E 2 12(1-v2) ( tw hw ) 2 (3) 式中y为钢材的剪切屈服应力;cr,l为局部屈曲应力; k为剪切屈曲系数,aw/hw1时,k=4 .0+5 .34(hw/aw) 2, aw/hw1时,k=5 .34+4 .0(hw/aw) 2;a w为波形钢腹板直 板段长度;hw为波形钢腹板高度;tw为波形钢腹板厚度; v为钢材的泊松比。 该桥波形钢腹板的局部屈曲临界应力最值发生在钢腹 板最薄处,为1 089 .9 MPa,大于552 .8 MPa,满足规范。 3 .2 整体屈曲验算 根据 规范 3,波形钢腹板整体屈曲应力可按下式进 行验算: cr,g y 0 .36 (4) 式 中,cr, g 为 整 体 屈 曲 剪 应 力;cr, g =36 (Ely) 1/4 (Elx) 3/4 h2wtw ;为波形钢腹板整体嵌固系数 ( 可按简 支取值:=1 .0) ;Ix为单位长度对波形钢腹板桥轴向中性 轴的惯性矩,Ix=t 2 w ( 2+1) 6 ;为波形钢腹板波高与钢板 板厚比,=dw/tw;为形 状 系数,=( aw+bw) / (aw+ cw) ;Iy为单位长度对波形钢腹板高度方向的惯性矩,Iy = tw 3 12(1-v 2) 。 从表1可知,该桥波形钢腹板的局部屈曲临界应力最 小值为794 .4 MPa,大于552 .8 MPa,满足规范要求。 表1波形钢腹板剪应力及屈曲稳定性验算结果 截面腹板厚t/mm腹板高h/mm/MPa/MPa/MPa最不利施工阶段最大剪力/kN最大剪应力/MPa验算 0#块后端244 7763 112 .9794 .4793 .5 二期铺装 14 64442 .5 通过 1#块后端244 3813 116 .4944 .1942 .1 二期铺装 11 15635 .4 通过 2#块后端243 9603 121 .41 155 .51 150 .1 二期铺装 10 16035 .6 通过 3#块后端243 5753 127 .61 417 .81 403 .2 二期铺装 9 74037 .8 通过 4#块后端223 2282 634 .41 897 .01 787 .4 中跨合龙 8 90441 .8 通过 5#块后端222 9192 642 .12 319 .92 064 .6 中跨合龙 7 00536 .4 通过 6#块后端222 6542 651 .02 806 .32 289 .9 中跨合龙 8 07846 .1 通过 7#块后端202 4212 199 .43 709 .82 136 .3 中跨合龙 6 26343 .1 通过 8#块后端202 2382 208 .14 341 .32 172 .6 中跨合龙 5 68942 .4 通过 9#块后端182 1011 795 .05 473 .21 789 .9 中跨合龙 4 77842 .1 通过 10#块后端162 0131 422 .16 707 .51 421 .4 中跨合龙 5 94961 .6 通过 11#块后端141 9841 089 .97 891 .41 089 .8 中跨合龙 2 40028 .8 通过 12#块后端141 9841 089 .97 891 .41 089 .8 边跨合龙 7709 .2 通过 12#块前端201 9842 224 .35 524 .02 209 .9 中跨合龙 5 01638 .1 通过 3 .3 合成屈曲验算 根据 规范 3,波形钢腹板的合成屈曲剪应力可按式 (5)(6)进行验算: cr y 0 .43 (5) 1 cr,l = 1 cr1 4+ 1 cr,g 4 (6) 式中,cr为合成屈曲剪应力。 该桥波形钢腹板的合成屈曲临界应力如表1所示,最 小值为793 .5 MPa,大于462 .8 MPa,满足规范要求。 4 结 论 (1)最不利施工阶段的剪应力均远远小于容许剪应力, 剪应力验算满足规范要求。剪力的最大值出现在0#块根 部,符合桥梁结构计算的理论。 (2)局部屈曲的最不利位置在钢腹板最薄弱处,而整 体屈曲和合成屈曲最不利位置在0#块根部。验算结果充分 说明,在主桥合龙前,即最大悬臂工况时,波形钢腹板不 会发生剪切屈曲现象。ID:003035 ( 下转第111页) 801 1 .2 焊接结构完整设计方案 在钢结构桥梁的整体完整性,焊接结构的设计方案是 至关重要的,是桥梁安全稳定服役的关键要素。设计和建 造时,针对桥梁不同部位的焊接工序和工艺,应结合该部 位的受力特点,进行合理调整。焊接的接头部位所受的应 力能够影响到钢梁本身的受力情况。在进行焊接的时候, 这些应力是客观存在的,并且无法真正去除,而焊接应力 的不良后果能使接头发生一定程度的形变,引发一些性能 上的缺陷,影响钢结构桥梁的完整性特点。所以对焊接接 头应该加以重视,保证钢结构桥梁的完整性。 1 .2 .1 应注意的问题 需要着重关注的几个关键为:着重进行焊接形式的 比较和设计,确定具体焊接形式的根据是焊接静力以及结 构疲劳度等;为了进一步降低应力,应该对焊接的细节 多加注意;遵循行业规定的焊接标准和检测标准,确保 焊接质量不对桥梁的稳定性造成损害。 随着焊接技术的不断发展进步,其应用范围越来越大, 基于高强材料的焊接技术目前经常被使用在钢结构桥梁的 设计建设中,所以桥梁设计者也应重点关注在焊接时对桥 梁带来的工 艺 损 伤。焊 接 过 程 中 应 该 注 意 的 问 题 包 括: 由于一些原因而导致非金属杂质超过限度,一般是操作 时未重视母材的性能;焊接处的力学性能降低,一般原 因是焊接 过 程 中 产 生 的 细 小 结 晶 对 材 料 性 能 造 成 破 坏; 由于焊接操作本身而导致的损伤,会使母材上出现疲劳 裂纹等;因为部分不良构造而导致损伤,原因一般来自 细节设计;在桥梁服役期间由于外界环境的影响导致已 有缺口损伤加剧,增加了事故风险等。 如果出现了焊接质量差的现象,接头的疲劳度等级会 受到致命的影响,从而使桥梁投入使用之后,在循环载荷 情况中发生接头甚至全部钢结构的疲劳破坏,引发事故。 焊接接头往往存在疲劳度分散性较大的问题是,焊接接头 一旦产生了裂纹,则其扩展规律往往是从焊根中间向两侧 发展,最终蔓延至母材边缘处。 1 .2 .2 焊接疲劳问题 一些研究人员对存在缺陷角焊缝的钢结构部件施以疲 劳测 试,结 合 测 试 数 据 输 出 疲 劳S-N曲 线,为lgN= 11 .471-2 .596lg 。如果循环次数超过200次,其疲劳强 度会降至100 MPa,而国家标准规定是必须高于110 MPa, 这个实验能够证实焊接缺陷对钢结构桥梁的疲劳强度影响。 而对于相同的焊接构造,如果在操作过程中存在不合规范 的情况,则可能造成成品的疲劳强度降至50 MPa以下,由 此可知,钢结构桥梁的焊接质量对桥梁的安全性是十分关 键的。所以,尽可能保证焊接质量,最大程度减少可能存 在的缺陷,才能最终实现增加接头疲劳强度的目标。 在焊接结构的内部,因为焊接疲劳度远比非焊接材料 低,因此如果出现裂纹,往往不存在于非焊接部位。裂纹 通常最常见的部位是轧制钢板、焊缝接头、过焊孔等。在 笔者的实践中,如果焊缝和应力的方向之间为平行关系, 则最容易出现裂纹的地方是端头部位;而当焊缝和应力的 方向之间为垂直关系的情况下,则根部和趾部最容易出现 裂纹。为了保证焊接质量,应该对焊缝进行反复的检查, 尤其是对接焊缝,不等厚交叉点、加劲肋、断面突变处等 均应仔细检查,推荐使用的检查方法包括木槌敲击法、超 声波探伤法等。在桥梁服役期间,如果养护措施不完善, 也会使钢梁发生锈蚀现象以及支座不平等现象,这种情况 同样会造成车辆对钢梁的冲击,逐渐形成裂纹,这也是一 个十分需要关注的方面。 2 结束语 钢结构桥梁设计和建造的质量关乎经济社会的安全稳 定以及人民的生命财产安全,是必须加以重视的一件事情。 尤其是在钢结构桥梁的设计阶段,对于桥梁的抗倾覆性能 和焊接容易出现的问题应严谨对待,通过科学的设计和合 理的施工工艺,