单箱多室波形钢腹板组合箱梁内衬混凝土布置方式研究

单 箱多室波形钢腹板组合 箱梁内衬混凝土布置方式研究 邓文琴 张建东 刘朵 胡隽 7 7 单箱 多室波形钢腹板组合箱梁内衬混凝土布置方式研究 邓文琴 张建东 刘 朵 胡 隽 1 华 中科 技 大学土 木 工程 与力 学 学院 湖北 武 汉 4 3 0 0 7 4 2 东 南大 学土 木工 程 学院 江苏 南 京 2 1 0 0 9 6 3 江苏 省交通 科 学研 究 院股份 有 限公 司 江 苏 南京 2 1 1 1 1 2 摘 要 为优化波形 钢腹 板内衬混凝土组合结构受力 以南 昌朝 阳大桥通航孔 桥 单 箱多室波形钢腹板单索面多塔斜 拉桥 为工程 背景 通过理论 计算 和有限元分析研究 了单箱 多室波形钢腹板组合箱梁 内衬混凝土 布置形式对 结构抗剪性 能的影 响 结 果表明 有无设 置内衬混 凝土对单箱多室波形钢腹板 组合箱梁腹板剪应力水 平较高 的波 形钢腹板影 响较大 对腹板剪 应力 水平较 低的波形钢腹板影 响较 小 内衬混凝土单侧设置 和双侧设置波形钢腹板 剪应力 的影 响相差不 大 内衬 混凝土双侧设 置 及仅有 内衬混凝土无波形钢腹板设 置对 混凝土剪应力 的影 响相差 较小 对单 箱多 室波形 钢腹板组 合箱梁 高剪应力 水平腹 板 内衬混凝 土可以考虑双侧布置或仅设置 混凝土 腹板 不 设置 波形 钢腹 板 而剪应 力水 平较低 的腹 板则 考虑设 置单侧 内衬 混 凝 土 关键词 斜拉桥 波形钢腹板 组合箱 梁 内衬混凝土 布置方式 剪应 力 中图分 类号 U4 8 8 2 1 6 U4 4 3 3 5 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 7 7 6 7 2 0 1 6 0 2 0 0 7 7 0 5 1 引 言 自世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥 法 国干邑桥 C o g n a c 建成 以来 因其 合理 的受 力性 能 优 良的经济效益 快速方便 的施工以及美观的外 形 在 2 O世纪 8 O年代 出现后很快便得到 了广泛的 应用和推广 1 我国波形钢腹板组合梁桥 的应用 起步较晚 但近年来发展迅速 目前已建和在建的桥 梁 达 6 0余 座l 4 近 年 来 随 着 工 程经 验 的不 断 累积 和设 计技 术 的逐步创新 波形钢腹板组合梁桥 已开始向大跨 复 杂桥型发展 为适应宽桥面的交通需求 波形 钢腹 板组合梁桥往往采用单箱 多室截面形式 然而 对 于大跨波形钢腹板组合箱梁桥 其中支点附近弯矩 和剪力均较大 约束条件及受力情况较 为复杂 因 此 对于跨径较大或箱梁根部截面较高的波形钢腹 板组合箱梁桥 中支点根部附近一般 采用内侧浇筑 混凝土的组合腹板结构 可避免根部混凝土与波形 钢腹板连接部位 因刚度突变导致 的应力集 中 提高 了波形钢腹板的抗屈曲性能 同时可有效地将腹板 作用力传递至下部结构 8 叫 目前 对于波形钢腹 板 内衬混 凝 土组 合 结 构 的设 计 尚没 有 明确 规 定 且 已有 波形 钢 腹板 组合 箱梁 桥 内衬混 凝土 的研 究 多局 限于单箱单室截面 国内已建 在建单箱单室波形钢 腹板组合箱梁桥仅在箱室 内侧设置内衬混凝土 而 针对单箱多室波形钢腹板组合箱梁内衬混凝土的研 究非常少L 1 表 1列出 了国内几 座单 箱多室波 形钢腹板组合箱梁桥内衬混凝土 的设置方式及构造 尺 寸 由表 1可 知 国 内 已建 和在 建 的单 箱 多 室波 形 钢腹板组合箱梁桥 内衬混凝土的设置主要有 2 种形 式 一种为内 外腹板均浇筑双侧混凝 土结构 另一 种为满足外形美观要求 其边腹板仅在 内侧浇筑混 凝土 而中腹板双侧均浇筑混凝土 本文以南 昌市 朝阳大桥为工程背景 研 究内衬混凝土的设置方式 对单箱多室波形钢腹板组合箱梁桥受力性能的影响 2工 程概况 南 昌市朝 阳大桥位 于南 昌大桥与生米大桥之 间 距 上游 生 米 大桥 约 3 5 k m 距 下 游 南 昌大 桥 约 2 5 k m 该桥 通 航 孑 L 道 主桥 为单 箱 多 室 波 形 钢 腹 板单索面多塔 斜拉桥 见 图 1 跨径 布置为 7 9 F 5 1 5 0 7 9 I n 总长 9 0 8 m 主梁采用单箱五室波 形钢腹板箱形截面 等高双层布置 梁高 4 7 m 上 层顶 板宽 3 6 8 m 布 置 双 向 8车 道 下 层 为 非 机 动 车道 和人行 道 单 侧 净 宽 7 m 该 桥 波 形 钢 腹板 采 用 1 6 0 0型 6道 钢 腹 板 采 用 等 厚 设 计 跨 中截 面 厚 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 3 1 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 4 7 8 1 0 7 江苏省交通科研项 目 2 O 1 4 Y 0 1 作者简介 邓文琴 1 9 9 1 一 女 博士生 2 0 1 2年毕业于华 东交通大学土木工程专 业 工学学 t E ma i d e n g b u s t 1 6 3 c o rn 7 8 世 界 桥 梁 2 0 1 6 4 4 2 望 Q 璺 5X l 5 O 7 9 单位 m 图 1朝阳大桥 总体布置 1 8 mm 支点附近腹板厚 2 2 mm 在箱梁根部设置 长 5 7 3 I n的双侧内衬混凝土 其 中边腹板内衬混凝 土厚 6 5 c m 中腹板 内衬混凝 土厚 5 0 c m 见 图 2 a 1 2 内衬混凝土段横截面 图 2 内衬混凝土节段 示意 3 钢混组合腹板等效剪切刚度计算 波形钢腹板 内衬混凝土组合腹板受剪力作用 在混凝 土开 裂前 钢 腹板 与 内衬 混凝 土组 合 构件 处 于 弹性 阶段 组合 腹 板 的剪 切 刚 度 为波 形 钢 腹 板 与 混凝土的刚度之和 且假定钢腹板与混凝土完全连 接 混凝土开裂后 组合构件刚度不断退化 且钢腹 板 与混凝 土界 面 出现 滑移 处 于 不 完全 连 接状 态 该 阶段组合腹板刚度随荷载增加不断变化 较为复杂 因此 本文仅考虑弹性阶段组合腹板 的等效剪切刚度 波 形钢腹 板 与 内衬 混凝 土组合 腹板 剪力作 用模 型如图 3所示 钢混组合腹板在剪力 V作用下产生 剪切位 移 叫 霍 I 一一1 一 一 一 圈 3钢 混 组 合 腹 板 剪力 作 用 模 型 3 1 内衬混凝 土 弹性剪 切 刚度 内衬混凝 土 弹性剪 切 刚度 G 为 G 一 1 式中 a h为内衬混凝土长度和高度 t 为内衬混凝 土平均厚度 E 和 u 分别为混凝土 弹性模 量和泊 松 比 3 2 波形钢腹板弹性剪切刚度 波形 钢腹 板 弹性 剪切 刚度 G 为 一 式中 t 为钢混组合腹板段波形钢板厚度 E 和 u 分别为钢板弹性模 量和泊松 比 叼为波形钢板展开 长度与投影长度比值 3 3 钢混组合腹板弹性剪切刚度 根据上 述 内衬混凝 土 和波形钢 腹板 得 出的剪 切 刚度 可知钢混组合腹板的弹性剪切刚度 G为 G 3 假定 波形钢 腹 板 与混 凝 土 完 全连 接 剪 力 通 过 应变协 调 由钢腹 板 和 内衬 混 凝 土 共 同承担 单箱 多室 波形 钢腹板组合箱梁 内衬混凝 土布置方式研究 邓文琴 张建东 刘 朵 胡 隽 7 9 假足 钢 掘组 合腹 板 承受单 位 剪力 V一1 则 V 1 4 波形钢腹板产生的剪切变形 y 内衬混凝土产生的剪切变形 y一 一 y一 一 c 6 故 波形钢腹板与 内衬混凝土剪力分担比例为 一 1 畿 t 4 钢混组合腹板抗剪分析 采 用有 限 元软 件建 立南 昌市 朝 阳大桥 最 大悬 臂 阶段有 限元 模 型 见 图 4 混 凝 土 结 构采 用 实 体单 元 钢横梁 波形钢腹板均采用板单元 预应力钢筋 及斜拉索采用 1 D单元进行模拟 假设波形钢腹板 与混凝土顶 底板完全连接 内衬混凝土与波形钢腹 板也完全连接 不产生相对滑移或剪切破坏 针对 内衬混凝土布置方式不 同 分为 4种工况进行有限 元计算 见表 2 图 4 最大悬臂阶段有 限元模型 4种工况下钢混组合段各波形钢腹板沿桥梁纵 向剪应力值如图 5所示 由图 5可知 内衬混凝土从无到单侧布置 对波 形钢腹板的剪应力值影响很 大 而 内衬混凝 土由单 侧布置 改 为双侧布置 对波形钢腹板剪应力值影 响 4 0 3 0 皇 2 0 1 0 0 1 0 臭 翱 表 2 内衬混凝土布置方式 一 内衬 混凝土 钢混组合腹板 内衬混凝土 J 布最方式 截 面示 意图 平均厚度 c m 1 双侧 内衬 2 单侧 内衬 无 内衬 6 5 外腹板 5 0 中腹板 2 5 O 无 波 形 钢 腹 板 三 二 二 二 二 譬 蓑 注 内衬混凝土平均厚度为波形钢腹板纵 向 中轴线 到内衬混凝 土 边缘 的厚度 较小 且内衬混凝土的布置形式对中钢腹板 和次中 钢腹板剪应力值影响较大 对 边钢腹板剪应力值影 响不大 由单箱多室单索面多塔斜拉桥结构受力特 点 可知 各腹 板剪 力 分 配 规律 为 中腹 板分 担剪 力 最 大 边腹板最小 从 图 5 c 中可以看 出 边钢腹板 剪应力水平较低 一方面导致 了内衬混凝 土剪力分 担效应不是很明显 另一方面布置 内衬混凝 土增加 了结构的 自重 从而增加了带 内衬混凝土钢腹板 的 剪应力值 说明对于单箱多室波形钢腹板组合箱梁 内衬混凝土的设置形式对剪应力水平较低的钢腹板 剪应 力值 影 响很 小 出于 安 全 和经 济 性 考 虑 剪应 力水 平较 低 的腹板 建议 考虑 单侧设 置 内衬混 凝土 4种工况下钢混组合段各 内衬混凝土沿桥梁纵 向剪应力值如图 6所示 由图 6可知 中腹板内衬混凝土单侧设置和双 侧设置对 内衬混凝土剪应力值影响较大 而 内衬混 凝土双侧设置和无波形钢腹板设置对内衬混凝土剪 应力影响较小 次 中腹板 和边腹板 内衬混凝土 的设 置形式对 内衬混凝 土剪应力影响均比较小 说明对 于单箱多室波形钢腹板组合箱梁 内衬混凝土 的布 置形式对高剪应力水平的腹板内衬混凝土剪应力影 响较大 对低剪应力水平腹板 内衬混凝土剪应力影 一一 一 一 一 一 一一一 纵向距离 m 纵向距离 m a 中腹板 b 次中腹板 单侧内衬 双侧 内衬 争一无内衬 无波形钢腹板 注 纵坐标起点为内衬混凝土距墩顶支座中心线7 0 0 a m 处 下同 图 5波形钢 腹板沿桥梁纵向剪应力值 1 1 1 3 1 5 1 7 纵向距离 m c 边腹板 8 0 世 界 桥 梁 2 0 1 6 4 4 2 莹 R 莹 纵 向距 离 m a 中内衬混凝土 单侧内衬 纵向距离 m b 次 中内衬混凝土 双侧内衬 一 无波形钢腹板 曼 纵 向距 离 珈 C 边 内衬混凝土 一 无 内衬 图 6 内衬混凝土沿桥梁纵 向剪应力值 响很小 因此 单箱多室波形钢腹板组合箱梁高剪 室波形钢腹板组合箱梁高剪应力水平腹板内衬混凝 应力 水平 腹板 内衬混 凝 土的设计 可 以考虑 双侧 布置 土 的设计 可 以考 虑双 侧 布 置 或仅 设 置 混 凝 土腹 板 或仅 设 置混凝 土腹板 不设 置波 形钢 腹板 而剪应 力 不 设置 波形 钢腹板 而 剪应 力 水 平 较低 的腹 板 则 考 水平较低的腹板则考虑设置单侧内衬混凝土 虑设置单侧内衬混凝土 假定 内衬混凝土与波形钢腹板共 同承担剪力 两者不 发生 相对 滑移 根 据公 式 7 可计算 内衬 混凝 土与 波形钢 腹板 两者 承担 的剪力 即 一 而 8 针对上述 4种工况 根据公式 8 可以计算出钢 混 组合 腹 板 中 内衬 混 凝 土 平 均 剪 力 分 担 比 例 见 表 3 表 3 内衬混凝土平均剪力分担比例 由表 3 可 知 内衬 混 凝 土 剪力 分 担 比例有 限元 分析值与理论计算值符合较好 5 结 论 1 有无设置内衬混凝土对单箱多室波形钢腹 板组合箱梁腹板剪应力水平较高的波形钢腹板影响 较大 对腹板剪应力水平较低的波形钢腹板影响较小 2 内衬混凝土双侧布置和仅有混凝土无波形 钢腹板布置对混凝土剪应力值影响很小 故 当内衬 混凝 土双 侧布 置时 可 以考 虑 内衬 混 凝 土 内不 设 置 波 形钢腹 板 3 内衬混凝土的布置形式对高剪应力水平 的 腹 板 内衬 混凝 土剪 应 力 影 响较 大 对 于 低 剪应 力 水 平腹板内衬混凝土剪应力影 响很小 故针对单箱多 参 考 文 献 1 陈宝春 黄卿 维 波形钢 腹板 P C箱 梁桥应 用综述 J 公路 2 0 0 5 7 4 5 5 3 2 姬 同庚 大跨径波形钢腹板连续箱梁桥设 计与施工关键 技术 J 世界桥梁 2 0 1 4 4 2 5 1 2 1 7 3 王卫 张建东 段鸿杰 等 国外 波形钢腹 板组合 桥梁 的发展与现状 J 现代交通技术 2 0 1 1 8 6 3 1 3 3 5 4 陈水生 钟志斌 桂水 荣 等 南 昌朝 阳大桥波形钢 腹板 多塔斜拉桥结构设计 口 世界桥梁 2 0 1 4 4 2 6 1 6 5 万水 李淑琴 马 磊 波形钢腹板预应力混凝土组合 箱 梁结 构在 中国桥梁工程 中的应用 J 建筑科学 与工 程学报 2 0 0 9 2 6 2 1 5 2 0 6 杜亚江 张建东 波形钢腹板 预应力混 凝土组 合梁桥 实 桥力学性能试验研究 J 公路 2 0 1 4 1 2 9 0 9 4 7 刘芳 艾军 张建 东 等 多工作 面施工 方案在某 波 形 钢腹板箱梁桥 中的应用 J 施工技术 2 0 1 1 4 0 2 3 4 6 49 8 刘朵 杨丙文 张建东 等 波形 钢腹板 组合梁桥 内衬 混凝土抗剪性能研究 J 世界桥 梁 2 0 1 3 4 1 6 7 2 7 5 E 9 3王达磊 贺君 陈艾荣 等 内衬混凝 土波折 钢腹板梁 抗弯性能试 验研 究 J 同济大 学学 报 自然科 学版 2 O1 2 4 0 9 1 3 1 2 1 3 1 7 E l O 樊健生 刘晓刚 聂建 国 等 波形钢腹板组合刚构桥墩 一 梁结 合部 受 力 性 能试 验 研究 J 土木 工 程学 报 2 o1 4 4 7 8 89 97 1 1 陈水生 张晓光 桂水荣 单箱多 室波形钢 腹板组 合箱 梁桥动力特性参数分析 J 桥梁建设 2 o 1 4 4 4 6 4 0 4 5 1 2 张华南 韩昀 万 水 多室波形 钢腹 板 P C组 合箱 梁横 向受 力 研究 J 重庆 交 通 大学 学 报 自然 科 学 版 2 0 0 9 2 8 4 6 5 2 6 5 7 单箱 多室波形钢腹板组合箱梁 内衬混凝 土布置方式研究 邓文琴 张建东 刘朵 胡隽 8 1 S t u d y o f Li n i n g Co nc r e t e Ar r a ng e me nt f o r M u l t i Ce l l S i n g l e Bo x Co mp o s i t e Gi r d e r wi t h Co r r u g a t e d S t e e l W e b s DENG We n q i n ZHANG Ji a n do n g LI UDu o H UJu n 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g Me c h a n i c s Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y W u h a n 4 3 0 0 7 4 Ch i n a 2 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g S o u t h e a s t Un i v e r s i t y Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 Ch i n a 3 J i a n g s u Tr a n s p o r t S c i e n c e Re s e a r c h I n s t i t u t e Co Lt d Na n j i n g 2 1 1 1 1 2 Ch i n a Abs t r a c t To o p t i mi z e t he l o a d be a r i ng c a p a c i t y of t he c o r r u g a t e d s t e e l we b a n d l i n i ng c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r u c t u r e t h e n a v i g a t i o n a l c h a n n e l b r i d g e o f Na n c h a n g Ch a o y a n g B r i d g e wa s t a k e n a s t he s t ud y ba c kg r ou nd The b r i dg e i s a mul t i p yl o n m u l t i c e l l s i n gl e b ox g i r de r c a bl e s t a y e d br i d g e wi t h c or r ug a t e d s t e e l w e bs a n d t he s t a y c a bl e s a r e f a nn e d o ut i n s i n gl e c a b l e p l a ne Th e i nf l u e nc e o f t he a r r a n ge m e n t o f l i ni ng c on c r e t e i n t he m ul t i c e l l s i n gl e bo x c ompo s i t e gi r d e r wi t h c or r u ga t e d s t e e l we b s o n t he a nt i s he a r i ng pe r f o r m a n c e o f t h e s t r uc t u r e wa s s t ud i e d v i a t he or e t i c a l c a l c u l a t i on a nd f i ni t e e l e m e nt a na l y s i s The r e s u l t s i nd i c a t e t ha t t he a d di t i on o f l i n i ng c o n r e t e ha s s i g ni f i c a nt i nf l ue nc e on t h e c o r r u g a t e d s t e e l we bs wi t h hi g he r s h e a r i n g s t r e s s i n t he mul t i c e 1 l s i n gl e b o x g i r d e r wi t h c or r ug a t e d s t e e l we bs but s l i ght i n f l ue n c e o n t he c or r u ga t e d s t e e l we bs wi t h l owe r s t r e s s l e v e 1 No ma t t e r t he l i n i n g c on c r e t e i s a d de d t o a s i n gl e s i d e o f t he we b s o r t o bo t h t he t wo s i d e s o f t h e we b s t h e i n f l u e n c e e x e r t e d o n t h e s h e a r i n g s t r e s s o f t h e c o r r u g a t e d s t e e l we b s i s b a s i c a l l v n o d i f f e r e nc e The r e i s a l s o no a p pa r e n t d i f f e r e n c e o bs e r v e d be t we e n t he i nf l u e n c e o f a dd i n g l i ni n g c o n c r e