（道路与铁道工程专业论文）波形钢腹板箱梁扭转与畸变的试验研究及分析.pdf

摘要 波形钢腹板箱梁扭转与畸变的试验研究及分析 李宏江 导师 邓学钧教授叶见曙教授 东南大学 摘要 本文通过理论分析和试验研究并参阅国内外有关文献 对波形钢腹板箱梁的扭转与 畸变问题进行了较为系统的研究 以箱形梁设计理论为基础 并结合波形钢腹板箱梁的 结构特点 采用乌氏第二理论分析了这种结构在偏心荷载作用下的扭转性能及其计算方 法 畸变效应分析中 引入了 钢腹板不承担面内弯矩 的假定 根据最小势能原理建 立了适合于波形钢腹板箱梁畸变分析的微分方程 并采用弹性地基梁比拟法求解 通过 大比例尺模型试验验证了约束扭转和畸变分别采用上述理论所得到的翘曲应力与试验 实测值较为接近 不会带来较大误差 空间有限元分析结果能够与试验实测值较好地吻 合 也进一步验证了上述结论 利用空间有限元分析验证了畸变计算理论的精度 说明 对畸变计算模式所采取的假定较为符合波形钢腹板箱梁的实际受力状况 有限元分析表 明 横隔板不仅能提高波形钢腹板箱梁的有效抗扭刚度 更为重要的是能够大幅度减小 畸变翘曲应力 几何参数对波形钢腹板箱梁在偏心荷载作用下的力学性能是有影响的 最后提出了波形钢腹板箱梁减小翘曲正应力的工程措施 研究了横隔板纵向间距与箱梁 的高跨比之间的关系 并给出了当钢腹板倾斜角度变化时相应的横隔板最大间距的经验 公式 以供设计参考使用 关键词 波形钢腹板箱梁模型试验约束扭转畸变横隔板 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d y a n d a n a l y s i s o nt o r s i o na n dd i s t o r t i o n o f b o x g i r d e r w i t h c o r r u g a t e d s t e e lw e b s l ih o n g j i a n g s u p e r v i s e db yp r o f d e n gx u e j u n a n dp r o f y ej i a n s h u s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y a n dr e f e r r i n gr e l a t e dd o c u m e n t s t h i sd i s s e i t a f i o um a k e ss y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nt o r s i o na n dd i s t o r t i o no fb o x g i r d e rw i t h c o r r u g a t e ds t e e lw e b s o nt h eb a s i so fd e s i g nt h e o r yf o rb o x g i r d e r a n dc o m b i n e dw i t l li t s s t r u c t u r a lp r o p e n y t h es e c o n dt h e o r yo fa a u m a n s k i ii sa d o p t e df o ra n a l y z i n gi t st o r s i o n a n dc a l c u l a t i o nm e t h o d su n d e ra ne c c e n t r i c1 0 a d ap r e s u m p t i o n n a m e l ys t e e lw e b sc a n n o t b e a ri n p l a n eb e n d i n g i si n 仃o d u c e dw h e nd i s t o r t i o ne f f e c ti sc o n s i d e r e d u s i n gm e t h o do f m i n i m u mp o t e n t i a l ad i s t o r t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o ni so b t a i n e df o rt h eb o x g i r d e rw i t h c o r r u g a t e ds t e e lw e b s t h ee q u a t i o nc a n b es o l v e db ym e t h o do f b e f a n a l o g y l a r g e s c a l e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ew a r p i n gs t r e s s a t t a i n e db y t h es e c o n dt h e o r yo fa a u m a n s k i ia n dt h em e t h o do fb e ea n a l o g y i sw e l la p p r o x i m a t e l y r e s u l t sf r o mt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da l s oa g r e ew i t hm e a s u r e dw a r p i n gs t r e s s s of e mi su s e df o rv e r i f y i n g a f o r e m e n t i o n e dp r e s u m p t i o n a n df e mm o d e l sc a nw e l ls i m u l a t ef a c t u a lc o n d i t i o no f b o x g i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b s f e ms h o w sd i a p h r a g m sc a n n o to n l yi n c r e a s et h e e f f e c t i v et o r s i o nr i g i d i t y b u ta l s og r e a t l yd e c r e a s et h ew a r p i n gs t r e s si n d u c e db yd i s t o r t i o n a n dt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sc a ni n f l u e n c em e c h a n i c a lp e r f o n n a n c e so fb o x g i r d e ru n d e r e c c e n t r i cl o a d s f i n a l l y e n g i n e e r i n gm e a s u r e m e n t sa l ep r o v i d e df o rr e d u c i n gw a r p i n gs t r e s s w h i c hi n v o i v e st h er e l a t i o no fl o n g i t u d i n a ld i s t a n c eb e t w e e no ra m o n g d i a p h r a g m s a n dt h e r a t i oo fh e i g h ta n ds p a no fb o x g i r d e r e x p e r i m e n t a le x p r e s s i o n sa r eo b t a i n e dw h e nt h e v e r t i c a l l yi n c l i n e da n g l eo f s t e e lw e b sc h a n g e s a n dt h e yc a nb eu s e df o rb r i d g ed e s i g n k e v w o r d s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 研究生签名 兹 兰日 期 理哩 互 f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名 缒导师签名 p 十 兄喁曰觐 抛 f 绪言 绪言 箱形粱以其抗弯和抗扭刚度大 而常常作为中 大跨径桥梁的首选结构形式 然而 由于预应力混凝土箱梁需要在腹板内布筋和使预应力筋转向 必须增加腹板的厚度 从 而腹板面积高达其总截面面积的2 5 3 0 因此 采取有效措施或采用新型结构来减 少腹板厚度 对于减轻箱梁自重 降低箱梁纵向预加力值从而减少预应力筋用量是十分 有效的 这样 桥梁结构轻型化的问题就被提出来 箱梁的顶板和底板厚度通常根据抗 弯要求而定 其厚度的减小量是非常有限的 而腹板面积的减小是可能的 但对混凝土 箱梁而言 无论是采用沿梁高变厚度的腹板 还是布置竖向预应力 都不能从根本上达 到大幅度减轻自重的目的 国内的学者曾提出采用钢丝薄壁箱梁的方法 但这种结构的 浇注必须采用超高标号的混凝土 此外 由纤维混凝土 f i b e rr c i n f o r e e dc o n c r e t e 聚 合物混凝土 p o l y m e rc o n c r e t e 钢管混凝土 s t e e lc o r ec o n c r e t e 等构成的新型组合 箱梁虽然已在月牙湖桥 哑巴渡大桥 贵州忠庄铺立交桥等桥梁上得到成功应用 但施 工工艺较为繁琐 l j 在国外 日本虽成功修建了用钢桁架代替混凝土腹板的b u b i y a n 桥 但由于钢与混凝土的变形量相差较大 钢桁架对箱梁顶 底板混凝土在桥轴向变形产生 较大的约束 从而造成混凝土截面预应力损失严重 为了有效地实现结构轻型化 波形钢腹板箱梁便应运而生了 随着外部预应力技术 的日趋成熟 以及新型建筑材料的发展 法国的有关部门对长大跨径桥梁的主梁轻型化 问题进行了研究 并首先提出了用平面钢板代替箱形截面混凝土腹板 并通过箱形截面 内的体外力筋施加预应力的办法 法国的f o r t e s a i n t a u b i n 桥是这种结构形式的典型 代表 图1 该桥上部结构为跨径3 8 m 的简支结合梁 单室箱梁高1 6 2 5 m 钢腹板厚 1 2 r a m 在钢腹板高度的l 3 及2 3 处沿轴向设置有水平加劲板 这种钢一混凝土组合结 构形式虽然非常简单 但由于上 下翼板混凝土的徐变和干燥收缩而产生的变形受到钢 腹板的约束 钢腹板与混凝土翼板之间发生应力重分配现象 由于混凝土的弹性模量远 小于钢的弹性模量 这样 原有在箱梁混凝土翼板中所建立的预应力消失很多 甚至会 从压应力转变为拉应力 同时 钢腹板受压 即钢腹板吸收了预应力的很大一部分 达 2 0 2 5 口j 施加的预应力向钢板转移的结果 要求钢腹板上增设加劲板或增大钢板 厚度以防止腹板屈曲 从而会使情况更糟 特别是对于连续梁 由于在负弯矩区需增加 底板厚度和缩小加劲板的间距以防止失稳 这将会增加结构的造价 图1加劲钢腹板预应力组合箱梁 图2 波形钢腹板箱梁 为解决由于钢腹板的约束作用造成截面预应力损失 1 9 7 5 年法国c b c a m p e n o n b e r n a r d 公司提出了用波形钢板 沿桥轴方向呈波形 图2 代替平面钢腹板的设想 这种箱梁是以波形钢板代替混凝土作箱梁的腹板 并采用箱内体外预应力技术的新型组 合结构 波形钢板最早应用在船舶 集装箱以及机翼地制造中 后来开始应用在民用建 筑之中t 瑞典早在二十世纪六十年代 就将冷轧波形钢板梁用于较大跨径的屋顶主梁 将波形钢板用作箱梁的腹板应该是法困c b 公司的独创 这种波形钢腹板因其在轴向为 折祷状板 当受到轴向预压力作用时能自由压缩 因此 卜 卜j 混凝土翼板的徐变 f 一 东南大学博士学位论文 燥收缩产生的变形几乎不受约束 从而避免了由于钢腹板的约束作用而造成箱梁截面预 应力的损失 用波形钢板代替平面钢腹板 不仅减轻了箱梁自重 而且也省去了设置纵 横向加劲肋的烦杂工艺 钢板的加工更为便利 与混凝土腹板箱梁相比 仅有几毫米厚 的钢板所能承受的剪力对混凝土腹板来说 将达数十厘米厚 其重量仅为混凝土腹板的 1 2 0 左右 同时波形钢板具有很高的抗剪屈曲强度 抗剪的要求很容易满足 更为重要 的是 波形钢腹板有效地解决了传统的预应力混凝土箱梁腹板易出现斜裂缝的问题 二十世纪八十年代中期 法国c b 公司经过大量的理论分析和模型试验确认这种箱 粱的钢腹板抗剪 抗扭及稳定性方面的受力特性后 在1 9 8 51 9 8 6 年间 首先建成了 世界上第 座波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥 c o g n a c 桥 波形钢腹板厚仅仅为 8 m m 此后 在世界各国又相继建成了法国的m a u p r e 桥 a s t e r i x 桥 d o l e 桥 挪威的 y r o n k o 桥 委内瑞拉的c a r a c a s 桥 c o m i c h e 桥p 4 l 后来 这种结构又在日本得到了发 展 日本p s 株式会社于1 9 9 3 年修建了本国第一座波形钢腹板箱梁桥一新开桥 并把 这种结构的应用范围进一步扩大 由最初的简支粱 到后来的连续梁 连续刚构 截面 由常高度发展为变高度 到目前为止 日本己成功修建和正在修建或规划中的波形钢腹 板箱粱桥如表l 所示 表1 日本修建的波形钢腹板箱梁桥一览表 另外 法国c b 公司近年己成功设计了数座主跨达4 0 0 m 的三跨连续式波形钢腹板箱 梁桥 其施工方法多为悬臀簏工 使用了移动式波形钢腹板架设车 然后在现场浇筑上 下混凝土板 有关资料表明 波形钢腹板箱梁桥与相同跨长的预应力高强混凝土桥相比 可降低成本约3 0 当然 经济性与桥跨规模 桥型有关 法国经过技术经济比较发现 波形钢腹板箱粱的优势只有在跨度大于5 0 m 时才会明显体现出来忙椰 虽然国外有这么多的波形钢腹板箱梁桥的实绩 但我们国家到目前还没有一座类似 结构形式的桥梁 随着我国西部大开发战略决镶的实施 高等级公路已由城市向山区发 展 而西部地广人稀 大部分是重丘区和山区 为了顺应 轻质 高强 长效 的要求 必须探索出一种技术上可行 工程造价经济 施工方便且美观并与西部的生态环境相协 调的桥梁结构 丽波形钢腹板箱梁桥便是 种较好的选择 这种蓿梁结构恰当地将钢 混凝土结合起来 提高了结构的稳定性 强度及材料的使用效率 且这种结构外形美观 抗震性能好 为波形钢腹板应用于大跨径桥梁 如斜拉桥 提供了广阔的前景 既然坦 外已有成功的实例 我们同家必须抓紧对这种结构的力学性能 施工方法 经济性等方 m 勺深入研究 来推动这种结构移我国及早地应用 第1 章波形钢腹板箱梁的构造特征 受力特点 国内外研究情况及问题的提出 第1 章波形钢腹板箱梁的构造特征 受力特点 国内外研究情况及问题的提出 1 1 波形钢腹板箱梁的构造特征 出于研究的需要 弄清波形钢腹板箱梁的构造特征 构件连接方式 施工方法等总 体概况是十分必要的 以下介绍了法国和日本的几座典型的波形钢腹板箱梁桥 1 1 1 法国c o g n a c 桥1 5 1 这是世界上首座波形钢腹板箱梁桥 属关于桥轴和跨径中心完全对称的直线桥 该 桥修建于1 9 8 5 年6 月 1 9 8 6 年7 月 为单箱单室的三跨 3 2 4 5 5 m 4 2 9 1 m 3 2 4 5 m 连续梁 图1 1 桥长1 0 7 8 2 m 在初步设计阶段 建筑师对该桥进行了详尽的研究 在设计中考虑了混凝土桥墩的表面光泽 腹板的颜色以及护拦颜色之间的相互匹配 该 桥的建成标志着由传统箱粱设计转向波形钢腹板箱梁设计是完全可行的 卜盘 i 以 1 l jlj 图卜1c o g n a c 桥纵断面 m 图1 2c o g n a c 桥的横断面 c m 1 主体箱梁 图卜2 为c o g n a c 桥的横断面布置 桥宽1 1 7 0 m 有两个3 5 m 宽的行车道和两个2 o m 宽的紧急车道 梁高2 2 8 5 m 混凝土底板宽4 1 7 m 厚2 0 c m 波形钢腹板与竖向成3 5 0 箱梁顶板的厚度沿桥横向是变化的 靠近腹板处最大厚度为3 3 c m 悬臂端厚2 0 c m 中 心厚2 3 c m 悬臂长1 5 5 m 钢腹板厚8 m m 两折痕之间长3 5 2 7 m m 波高1 5 0 r a m 在钢腹 板上 下缘分别焊接钢翼缘板 然后在翼缘板上设置角钢作为抗剪连接件 再分别与上 下混凝土板相连 该桥箱梁的高跨比为1 1 9 2 预应力 预应力布置如图卜3 所示 混凝土转向块与中间横隔板作为一体 不仅解决了预应 力转向问题 而且增强了箱梁整体的横向刚度和抗扭性能 横隔板厚0 3 5 2 m 通过预埋 在横隔板中的角钢与钢腹板连接在一起 预应力索放在聚乙烯套管中 张拉后灌注水泥 浆 在转向块处 预埋钢管 穿过预应力索 全部预应力索都是可以更换的 体外预应力纵断面黾矿 图卜3c o g n a c 桥体外预席力索的布置 3 施工方法 用工厂制作的钢梁作为主梁架设的临时支撑 钢腹板在工厂s u i t 并进行防锈处理 然后运至现场进行拼装 底板钢筋骨架做好后 先浇筑底板混i 疑 h 然后以底板作为支 一一 查堕查堂堕主兰垡堕塞 承 向前移动支架 再浇筑顶板混凝土 从一侧桥台到另一侧桥台 浇筑完成后 取出 模板 张拉预应力 1 9 8 6 年7 月 该桥顺利通过了荷载试验 试验结果表明 该桥波形钢腹板箱梁的扭 转刚度与支点附近翼缘板的剪切 弯曲应力全部满足要求 为防止畸变变形 在跨间非 常规则地设置了8 道横隔板 1 1 2 法国m a u p r e 高架桥拉 该桥共七跨 全长3 2 4 4 5 m 跨径最小4 0 9 5 m 最大为5 3 5 5 m 图卜4 1 主体箱梁 梁高3 0 m 横断面为三角形 图卜5 底板为钢管混凝土 直径为6 0 c m 波形钢 腹板厚8 m m 焊接在钢管上 桥面板宽1 0 7 5 m 在横向施加了预应力 桥轴向配置了箱 内体外预应力索 并且是可以更换的 腹板与竖向成4 5 0 上缘焊接翼缘板 并通过抗 剪连接件 角钢 与混凝土桥面板结合在一起 图卜4m a u p 7 r e 高架桥结构形式 m 图1 5m a u p r e 高架桥横断面 m m 2 预应力 预应力索在跨间呈折线形式 通过预埋在横隔板中的钢制曲管发生转向 图卜6 混凝土横隔板通过预埋角钢焊接在钢管和钢腹板上 墩 圈卜6m a u p t e 高架桥的预应力转向 图卜7 顶推旖工中的稳定装置 3 施工方法 该桥采用顶推施工法 全部钢构件在工厂预制 并拼装涂漆 最大节段长1 2 m 在 工厂形成三角形断面后 由拖车运到现场 再由塔式吊车放到钢轨上 节段间采用焊接 方式 而顶板混凝土全部现浇 从边跨开始使用钢制鼻梁 在顶推施工中 采用了横向 稳定装置 图1 7 1 1 3 本新开桥1 6 1 这是同本第一座波形钢腹板箱粱桥 上部结构为双箱单室简支斜梁桥 斜交角为7 0 图卜8 桥长3 1 o m 跨径3 0 o m 图卜9 1 主体箱梁 该桥宽1 4 o m 波形钢板厚9 m m 两折痕问长2 5 0 r a m 波高l 训m m 横断埘备钏部尺 第1 章波形钢腹板箱梁的构造特征 受力特点 国内外研究情况及问题的提出 钢腹板与上 下混凝土板紧密结合在一起 波形钢板在工厂压制成形 波纹形状如图卜1 l 所示 分4 个节段 运到现场后进行拼装 图1 8 新开桥平面 图卜1 0 新开桥横断面 图卜9 新开桥立面 图卜1 1 新开桥钢腹板形状 2 预应力 该桥在箱梁底板内配置了预应力筋 同时在箱内配置了体外预应力索 采用聚乙烯 和水泥浆防护 利用桥台两端处的张拉室可以更换或增加体外索 还可以用来日常的检 查 体外索锚固在梁端并在横隔板处实现转向 图1 1 2 图卜1 2 新开桥预应力配置 3 施工方法 该桥位于河川地带 地基软弱 有必要使用临时支撑 对于那些梁下空间狭窄 支 架拆除困难的地方 不采用支架 为了固定钢腹板 在跨径方向设景了4 个横向临时支 撑 波形钢板间采用对焊 主梁的混凝土分两次浇筑 先浇底板和横隔板混凝土 然后 是顶扳混凝土 由于底板和钢腹板结合部处钢筋和抗剪连接件的交错密集布置 使得混 凝土的进料孔变小 为此还进行了混凝土浇注试验 来确定混凝土的最佳配合比以及模 板的尺寸 并在混凝土中使用了高性能a e 减水剂 预应力索的张拉是在施工现场进行 的 先张拉底板的体内索 然后再张拉体外索 锚固并压浆后 轻轻敲打套管 确保充 填密实 主梁的架设是通过导粱上的桥式起重机进行的 主粱在现场制作 预先组装 图 卜1 3 然后在自行式台车上将其移动到轨道上 由桥式起重机架设 固定 图1 1 4 陔桥竣工后进行了静载试验和动载试验 东南大学博士学位论文 图1 1 3 新开桥主粱的制作图卜1 4 新开桥主粱的架设 1 i 4 日本松木七号桥 亦称银山御幸桥 7 9 1 该桥上部结构为5 跨 2 7 4 m 3 4 5 5 m 4 4 9 m 单箱单室等截面连续梁 桥长l 2 1 0 m 纵坡6 图卜1 5 图卜1 5 松木七号桥纵断面 1 主体箱梁 桥面行车道部分宽8 5 m 横断面细部尺寸如图卜1 6 所示 主梁混凝土4 0 m p a 波形 钢腹板在工厂预制 试拼装 涂漆 其构造如图卜1 7 所示 板厚t s m m 波高h 1 5 0 m m 钢板折弯点之间的长度b 3 0 0 m m 波形钢腹板高度h 2 2 1 0 m m 腹板与上 下混凝土板的 连接通过焊接在波形钢板上的钢翼缘及其上的双头螺栓 由 2 2 r a m 结合在一起 钢翼 缘板宽1 5 0 m m 双头螺栓纵向间距1 2 5 m m 横向间距5 5 m m 图卜1 6 松小七号桥横断面 图1 1 7 松术七号桥波形钢腹扳构造 2 预应力 为了减小因角度过多变化而引起预应力损失及施 i 的方便 该桥的体外预应力索采 坪j l 跨束与两跨连续束互相蘑替搭接的配束方式 图卜1 8 锚j 到处为两端横墙或跨内 第1 章波形钢腹板箱粱的构造特征 受力特点 国内外研究情况及问题的提出 横隔板 预应力索套管为高密度聚乙烯管 p e 管 套管内注入水泥浆 以防止预应力 束锈蚀 梁端锚固处设置混凝土封顶层 图l 1 8 松木七号桥预应力布置 m 3 施工方法 由于主梁的轻量化 可以采用顶推施工法 这种施工方法无须在梁下空间搭设临时 支架 这样就使得施工时的作业面变小 对周边环境的影响也大为减轻 且施工进度快 又不受冬季雪期的限制 该桥采用斜吊顶推的施工技术 图卜1 9 主梁预制场设置在a 桥台后 分为1 9 个 节段 标准节段长1 1 0 m 前3 个节段先不浇注顶板混凝土 而用自重较轻的薄钢板代 替 活用作顶推时的鼻梁 亦称导梁 同时在第5 节段上组拼塔柱 张拉锚固斜拉索 前方4 根 后方4 根 为避免塔柱正下方主梁断面应力过大 整个顶推施工进程中 对斜拉索的张拉力共调整了4 次 该桥施工期为两年半 图卜1 9 松木七号桥的斜吊顶推施工 由于该类桥目前尚无成熟的设计方法 且结构较为新颖 所以 在该桥旌工期对主 要控制断面的应力和挠度进行了观测 待竣工后 又作了成桥后的荷载试验 对设计方 法的稳妥性加以进一步验证 该桥由于采用轻型化的波形钢腹板 使得主梁自重比混凝土腹板的p c 箱梁可减轻 2 5 从而减小了下部结构的负担 下部结构可以做得比较轻盈 这样就减少了因下部 结构而造成的开挖方量 有利于环境保护和植被生长 白色的混凝土与茶色的波形钢腹 板之间形成鲜明的对比度 波形钢腹板能够产生出优美的立体感 并能够与周围的自然 景观和谐一致 使得该桥具有很强的美学价值 从上述几座实桥的构造不难看出 波形钢腹板箱梁所具有的 区别于一般p c 箱梁 的独特特征主要表现在波形钢腹板 体外预应力束布置 波形钢板与上下混凝土板的结 合 即抗剪连接件等三个方面 东南大学博士学位论文 1 2 波形钢腹板箱梁的优越性 波形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 在国外之所以有很强的生命力 是因为这种结构具有很多优越 性 具体表现在 1 用波形钢板作腹板 使得箱梁自重大为降低 从而提高了预应力的效率 减少 了预应力钢材的用量 2 由于波形钢腹板纵向呈折叠状 因而其纵向刚度较低 这样它对上 下混凝土 板的徐变 干燥收缩变形不起约束作用 避免了预加力向钢腹板的转移 3 波形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 波形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 5 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 对于因冬季 停止作业使工期受到制约的地区的施工是非常有效的 6 体外力筋可以替换和增加 便于桥梁的维修与补强 l 3 波形钢腹板箱梁的国内外研究情况 1 3 1 国外的研究情况 区别于传统的混凝土腹板的箱梁 由剪切屈曲强度控制的波形钢腹板是波形钢腹板 箱梁中最具特点的构件 而波形钢腹板在桥梁工程中最初是应用于开口薄壁结构中 如 工字钢梁 因此 国外的研究首先是从工字钢梁的波形钢腹板的屈曲模式开始的 早在 二十世纪六十年代 e a s l e y 等人基于弹性理论对波形钢板的整体屈曲和局部屈曲建立了 较为完善的公式 不过这时波形钢板仅用在作为只承受剪力的房屋建筑的屋顶构件 后来美国d r e x e l 大学的e l g a a l y 和h a m i l t o n 等学者在1 9 9 0 年对2 l 根试验梁进行 了大量的试验研究 l j 研究结果表明 波形钢腹板梁的剪力完全由腹板承担 而且钢 腹板的破坏是由于屈曲造成的 当波纹较密时 由整体屈曲强度控制 当波纹较疏时 由局部屈曲控制 而在屈曲过程中 又有可能伴随着合成屈曲 图卜2 0 示出了这三种 屈曲破坏模式 同时 又利用大型非线性有限元分析系统a b a q u s 对试验梁进行了数值 计算 分析中采用8 节点薄壳单元 并考虑几何和材料非线性 计算结果表明 有限元 分析能够与试验较好地吻合 进一步验证了上述结论 另外 通过有限元分析发现局部 的缺陷和残余应力对屈曲强度是有影响的 卿嘞嘶 a 局部屈曲 b 整体屈曲 c 台成屈曲 图卜2 0 波形钢腹板屈曲破坏模式 e l g a a l y 和h a m i i t o n 等人又于1 9 9 3 年就钢翼缘的波形钢腹板梁做过抗弯试验 就 波形钢腹板梁在纯弯情况下的应力和破坏特征得到了非常有价值的结论 试验选取了6 根不同波纹形状的小比例尺模型梁 试验简图如图卜2 l 所示 用应变计测试腹板和下 翼缘的应变 用挠度计测试挠度 之后又用有限元分析程序a b a q u s 全过程模拟了粱的 加载过程 有限元模型如图 一2 2 所示 模型试验表明 6 根梁的破坏均是丌始于上翼缘 的屈服 最终而导致腹板的屈曲破坏 实测应力表州 弯矩几乎完全山kf 翼缘承担 四四1 2 一 1 9 9 4 年 瑞典学者r l u o 和b e d l u n d 等人对腹板采用波形钢板的工字梁的极限 承载力进行了研究 l 图卜2 3 为跨径为l 的简支梁 跨内施加沿横向均布的线荷载 图卜2 4 为波形钢腹板与上翼缘钢板的几何参数 上 下翼缘板板厚均大于波形钢板板 厚 以保证破坏是由钢腹板开始的 采用大型有限元分析系统a b a q u s 建立了波形钢腹 板梁的计算模型 对梁的极限承载力进行了非线性分析 分析过程中考虑了几何非线性 和材料的非线性 图卜2 3 荷载作用下的波形钢腹板梁图1 2 4 波形钢腹板和翼缘板的几何参数 分析结果表明 波形钢腹板的应力一应变关系曲线对极限承载力有影响 图卜2 5 a 的应力一应变关系为理想的弹性完全塑性 图卜2 5 b 的应力一应变关系更为接近材料 的实际情况 根据后者计算得到的极限承载力比根据前者计算的高出8 1 2 同时梁 的几何参数也决定着极限承载力的大小 当波形钢腹板的折叠角度 7 5 0 时 极限承载 力随a 的增大而提高 而当a 7 5 0 后 极限承载力基本上不随a 的变化而变化 钢翼缘 板的厚度和钢腹板的厚度越大 极限承载力越大 另外 波形钢腹板的初始几何缺陷 钢板加工过程中产生的残余应力以及荷载的作用位置等均对极限承载力有所影响 a b 图l 一2 51 f 线性有限元分析中的应力 席变关系 根据有限元分析的结果 并结台平钢腹扳极限承载力的 r 算公式 hl f 0 和1 3 9 逼 一 z 东南大学博士学位论文 e d l u n d 建立了更为精确的 用于波形钢腹板梁极限承载力计算的经验公式 只 y 0 口 卜1 式中尸 为极限荷载 为与钢腹板的波纹形状有关的系数 t 和t 分别为翼缘板和 腹板的厚度 a 为钢腹板的屈服应力 1 9 9 5 年 r l u o 和b e d l u n d 等人又对波形钢腹板的抗剪切屈曲强度进行了非线性 有限元分析1 1 4 i 基于分析的结果发现 波形钢腹板的几何参数对屈曲强度有相当的影响 通过荷载p 一挠度占曲线 图卜2 6 可以揭示几何参数变化时腹板的屈曲强度的变化规 律 由图1 2 6 可以看到 腹板的屈曲强度随着腹板高h 腹板厚度乞 折叠角度a 的增 大而提高 同时 波形钢板的子板宽度b 越小 腹板屈曲强度越大 2 4 6 1 a 腹板高度h 变化时p 一占曲线 b 腹板厚度t 变化时 一占曲线 6 m m c2 6e1 口 1 2 1 0 2 00 1 01 214 6 r a m 6 m c 折叠角度口变化时p 一占曲线 d 子板宽度b 变化时p 一占曲线 图l 2 6 波形钢腹板几何参数对屈曲强度的影响 1 9 9 7 年英国w a r w i c k 大学的j o h n s o n 教授在研究波形钢腹板梁的腹板几何参数的优 化时发现 波形铜腹板的有效剪切模量e 比钢板本身的剪切模量6 有所降低 约1 0 并建立了波形钢腹板有效剪切模量e 的公式1 1 5 6 伯 d b ds e c 口 1 2 式中b d 分别为波形钢板水平子板宽和斜向子板的水平投影长度 图卜2 4 为波形 钢板的折叠角度 j o h n s o n 教授后来又通过室内试验验证了上述结论以及公式的精度 2 0 0 1 年 马来西亚学者c l c h a n y a k h a l i d 等人针对工字钢梁腹板采取不同 折叠方式情况下梁的承载力进行了有限元分析 并与平钢腹板工字钢梁对比l m i 利用有 限元分析系统l u s a s 分别建立图1 2 7 所示的有限元模型 计算结果表明 采用图1 2 7 c 暨向波纹形状的钔腹板的梁 其极限承载力明显提高 约为水乎波纹钢腹倾梁f 图 墨 童鎏堑塑坚蔓堕墨塑塑堕塑笙 墨垄壁生 璺塑 堕塞堕堡墨塑璧塑丝堂 卜2 7 b 和平钢腹板梁 图1 2 7 a 承载力的1 8 2 1 倍 在相同跨径和相同极限荷载下 采用竖向波纹钢腹板梁的自重可比平钢腹板梁减小1 0 左右 惫氇鑫 a 平钢腹板粱 b 水平波纹钢腹板粱 c 竖向波纹钢腹板粱 图卜2 7 三种钢腹板梁的有限元模型 对于波形钢腹板箱梁 日本和法国的研究较多 而且着重在实桥的应用上 法国在 修建c o g n a c 挢和m a u p r e 高架桥时 针对设计中出现的闽题都进行过f e m 数值分析 特 别是钢腹板的屈曲 箱梁的抗弯 施工的可行性方面做了很多的足尺模型试验 成桥以 后又做了静载和动载试验p j 日本在1 9 9 6 1 9 9 8 年修建了本谷桥 该桥的波形钢腹板箱梁为变截面连续刚构 1 7 图1 2 8 施工前对波形钢腹板与混凝土板的抗剪连接件和波形钢腹板节段之间的连 接进行了优化设计 提出利用波形钢板的斜向面板和雷昂哈特的混凝土抗剪结合销 穿 透钢筋 来作抗剪连接件的想法 图1 2 9 并在该桥上使用 通过计算分析确立了这 种抗剪连接件的设计步骤 波形钢板之间连接采用高强螺栓单面摩擦连接 这种连接方 法在连接部分有轴向力作用时会产生偏心矩 通常很少采用 但由于波形钢腹板的折叠 效应 使其不承担轴向力和弯矩 所以在该桥中得到应用 模型试验和实桥加载试验说 明 该连接方法是可靠的 同时又对桥面板的设计提出了计算方法 由于波形钢腹板的 刚度比桥面板小得多 因而桥面板横向弯矩接近于简支的情况 为此做了有限元分析和 实桥加载试验 并在实际设计中将简支板弯矩的9 0 作为设计弯矩 图卜2 8 本谷桥总体布置图卜2 9 本谷桥抗剪连接件 在对本谷桥进行模型试验时发现 如果剪力作用于波形钢板 其剪应力和混凝士腹 板中的情况不同 沿梁高呈基本等值分布 另外 在用悬臂施工法计算挠度时又发现 理论计算挠度比实测挠度小 因此又提出剪切变形所产生的挠度对波形钢腹板箱梁而言 是不可忽略的 在本谷桥中 扭转的研究得到了重视 在中跨 p r 区段 设置了4 道 横隔板 这时的最大翘曲拉应力在跨中底板为q 3 e p a 如果加上设计荷载时的应 力 半桥加活载 则有1 4 m p a 的压应力 由约束扭转产生的附加剪应力在跨中仅为 0 7 m p a 这晓明横隔板的作用是明显的 此外 由于浚桥是梁和桥墩刚性剧结的刚构体 系 地震时的模态比较复杂 而且与予顼应力混凝 t 箱梁柑比 被形钢腹板箱梁弯曲刚度 1 1 东南大学博士学位论文 较小 因此在地震时上部结构和下部结构均有可能发生塑性化 因此先后进行了线性动 力分析和考虑发生塑性化构件的非线性分析 以验证地震时的安全性 分析结果表明 上部结构的安全性不存在问题 后来 日本在修建中野高架桥时发现 与混凝土箱梁相比 波形钢腹板箱梁在横向 较易产生变形0 1 8 l 因此又将提高结构的横向抗变形能力作为一个非常重要的课题来研 究 采用有限元法对横隔墙在保证结构横向抗变形能力方面进行了验证 并指出 区别 于混凝土箱梁而言 横向联系构件的设置对波形钢腹板箱梁而言尤为重要 同时 该桥 在总结以前施工技术的基础上 独自开发了一种新的抗剪连接件 图卜3 0 这种结合 方式的安全性在大阪工业大学的模型试验中得到了充分验证 在旌工阶段也未出现任何 问题 该桥竣工后 又进行了静载试验 试验实测钢腹板剪应力与有限元分析结果非常 吻合 而设计值偏大 分析其原因是由于设计时假设所有的剪力均由波形钢腹板承担 而实际上混凝土顶板和底板也同时承担了部分剪力所致 另外 偏心加载时由于扭矩的 作用 左右两侧腹板的剪应力也分别不同 通过计算发现 跨内设置的横隔板使横向变 形也得到了控制 a 钢腹板与顶板的连接 b 钢腹扳与底板的连接 图卜3 0 中野高架桥抗剪连接件 自二十世纪末至今 随着波形钢腹板箱梁桥在世界各国的相继出现 许多国家已经 制定了该类桥梁的设计规范或设计指南 进一步规范和优化了波形钢腹板箱梁桥的设 计 施工以及养护 值得一提的是 国外对该类结构的分析 已经从静力分析上升到动 力性能和疲劳性能研究上 研究的深度和广度已接近了传统p c 桥的水平 同时许多国 家的研究是基于政府部门的大量资金的投入 将缩尺 足尺模型试验与结构分析有效地 结合起来 总之 波形钢腹板箱梁桥在国外的盛行已经表明 该类桥的设计已不是冒险 行为 施工也可以采用常规手段来实现 其设计思路可参照混凝土箱梁桥 结合其本身 固有的特点引入组合梁桥的概念 1 3 2 国内的研究情况 国内对波形钢腹板箱梁的研究还刚刚起步 先后有重庆交通科研设计院 西南交通 大学 东南大学等单位对该种箱梁的钢腹板屈曲强度 l i 方案设计1 1 9 l 桥面板有效分布 宽度口 剪力滞效应 2 0 j 等做过研究 并根据室内模型试验和有限元分析得到了一些结论 但对这种箱梁结构的扭转和畸变性能的研究是相对较少的 甚至是空白 西南交通大学在分析了法国和同本已建波形钢腹板箱梁桥的构造和结构尺寸后 对 一座跨径4 5 m 的波形钢腹板双箱单室简支箱梁桥进行过方案设计1 1 引 横断面和波形钢腹 板的尺寸分别如图卜3 1 图卜3 2 所示 对全桥建立了空问有限元模型 分别计算了结 构在恒载 活载及几种荷载组合下的应力及变形 分析结果表明 顶板 底板的应力分 布规律与混凝土箱梁类似 波形钢腹板除距离混凝土板较近处外 纵向币应力很小 钢 腹板的水平予板的竖向正应力和剪应力要比斜向子板高 两块不同方向倾斜的子板剪应 力符号相反 有限元分析结果得到了波形钢腹板箱梁最基本的受力特点 第l 章波形钢腹板箱梁的构造特征 受力特点 国内外研究情况及问题的提出 图卜3 1 双箱单室波形钢腹板箱梁横断面 m 图卜3 2 波形钢腹板的尺寸 m m 重庆交通科研设计院通过3 根模型梁的荷载试验 试验梁简图如图卜3 3 所示 为 防止偏心加载时试验梁整体转动 在试验梁左侧梁端设置了抗扭约束 图卜3 4 试验 量测了跨中底板的应力 跨中挠度以及钢腹板的主应力并观察了底板裂缝分布和梁破坏 状态 试验结果表明 在对称荷载下 钢腹板的纵向应力较小 而钢腹板的剪应力要比 混凝土顶板和底板的剪应力大很多 这与国外的研究结论基本一致 在偏心荷载作用下 靠近抗扭约束端的钢腹板应力明显比靠近无抗扭约束端的钢腹板大 而且钢腹板的剪应 力因扭转发生了较大变化 模型试验梁的破坏发生在弹塑性过渡区 从跨中底板的裂缝 分布的形态判断 试验梁的破坏形态为明显的弯曲破坏 在整个加载过程中 钢腹板未 发生失稳现象 抗剪连接件部位也未发现裂缝 但极限承载力比理论计算值偏低 根据 试验获得的数据 提出在波形钢腹板箱梁设计时 应提高其安全系数 以使理论分析与 实际情况相符 模型试验的研究为建立波形钢腹板箱梁的抗弯极限承载力的计算公式提 出了一定的参数 图卜3 3 试验梁立面 m 图1 3 4 左侧粱端的抗扭约束 东南大学曾就该种箱梁的弯曲受力特性 混凝士翼板的剪力滞效应 桥面板的有效 分布宽度以及波形钢腹板的屈曲进行过专门的研究1 2 0 2 羽 根据3 片跨径为2 6 m 的小梁 试验的实测数据 提出对于波形钢腹板箱梁的桥面板而言 更加符合正交异性板的的受 力模式 并根据混凝土箱梁桥面板计算的g m 法 建立了波形钢腹板箱梁桥面板有效分 布宽度计算的修正公式 并在公式中考虑了箱梁畸变对桥面板计算的影响 对实测应变 进行分析时 又提出了截面高度上各点纵向正应变分布可符合 拟平截面假定 同时 分析了影响波形钢腹板箱梁剪力滞效应的主要因素 包括箱梁的整体尺寸 波形钢腹板 的几何参数 荷载形式及作用位置以及混凝土应力一应变关系等 为波形钢腹板箱梁的 抗弯极限承载力的计算提供了很好的思路和建议 但总的来看 国内对这种箱梁的研究应该在掌握足够国外相关资料的基础上 投入 足够的资金更加深入地摸清这种结构的力学性能 还应客观地对其经济性作出评价 特 别是与传统混凝土箱梁相比有那些优势或缺陷 如何利用这些优势并尽可能避免缺陷 这一点是阻碍波形钢腹板箱梁在桥梁工程界得到认可的关键 同时还应对其各种力学性 能有一个较为完善的研究 并形成相应的类似于规范性质的设计指南 以加快我国工程 技术人员对其关键技术的掌握 为推动实桥的应用奠定基础 1 4 波形钢腹板箱梁的受力特点 波形铡腹板箱梁 不仅具有箱粱的般特点 还县有其本身所特有的力学特性 东南大学博士学位论文 1 4 1 波形钢腹板箱梁的弯曲特性1 1 7 l 波形钢板在纵向如风琴一样可以自由变形 在轴向力p 作用下 轴向变形很大 因 而其表观弹性模量很小 波形钢板在纵向 x 轴方向 的表观弹性模量毛7 与波高h 板 厚t 以及波纹的形状系数y 有关 具体表述为 e o r t h 2 1 3 式中e 为钢板的弹性模量 如日本新开桥 e e o 6 1 7 因此 设计上可以认为腹板不 承担轴向力 而轴向力仅由上 下混凝土板承担 图l 一3 5 i a 波形钢腹板箱粱 f 7 尸 z db 置换断面 c 弯曲应力 d 轴向应力 图卜3 5 由弯曲和轴向力产生的应力分布 由于波形钢板纵向刚度较小 因而可以近似认为不抵抗弯矩 当梁弯曲变形时 弯 曲计算中所用到的各种断面几何特性可以不考虑腹板 其置换断面如图卜3 5 b 所示 仅由上 下混凝土板构成 也就是说弯矩仅由上 下混凝土板构成的断面的抗弯刚度来 抵抗 同时 该类桥主梁的弯曲特性可以用通常的梁理论中的平截面假定来近似描述 弯曲计算采用以上断面常数 并根据梁理论计算应力 布置其体内 体外预应力束 其 中体外预应力束作为建成后的连续束使用 其布置基本上可以抵抗活载 1 4 2 波形钢腹板的剪切屈曲稳定性 1 7 2 3 1 主梁受弯的同时 还承受剪力 计算时剪力全部由波形钢板承担 其剪应力和混凝 士腹板中的情况不同 沿梁高基本呈等值分布 由于竖向压应力一般很小 钢腹板中的 应力状态一般视为纯剪 因此除验算钢板剪应力外 还要计算波形钢板的剪切屈曲强度 即考虑波形钢腹板的屈曲稳定性 波形钢板的屈曲通常有三种模式 1 局部屈曲模式 它仅为深折槽腹板的l 益界状态 与两个折槽间一段视为简支的 钢板条的不稳定性有关 图卜3 6 剪切作用下局部屈曲应力可按下述公式计算 篙 2 堙 c 4 一 j 竺 一 l 矧1 一蹦波形钢脾舨的删曲劁示 l0 五甭i 万面砀面面厦湎覆西i e l 萌丽覆覆蘑两孺疆f j 再丽夏面磊桑酝 b 为波形钢 式中o 为剪切局部屈曲应力 o 为钢腹板弹性模量 v 为钢腹板泊桑比 b 为波形钢 腹板相邻两弯折边间钢板的短边 t 为钢板厚 k 是由板长宽比决定的系数 2 整体屈曲模式 波形钢腹板处于相邻两横隔板 或预应力索中间转向块 之间 的一段 图1 3 6 中沿x 方向长度为a 的一段 可视为沿板四周承受均匀剪力的 沿x 方向和y 方向刚度不同的四边近似简支的正交异性板 这种屈曲模式的特征是正交异性 板整体发生