波形钢腹板组合箱梁模型的设计

波形钢腹板组合箱梁模型的设计

0波形钢腹板组合箱梁力学特性长期以来，各国的桥梁工程师在研究箱梁桥的平滑方法方面进行了讨论。1975年法国学者提出了用波形钢腹板代替混凝土腹板形成一种新的钢—混凝土组合梁。该梁在横截面构造上具有较大的先进性,由于波形钢腹板纵向弹性模量小,可对箱梁施加有效的体外预应力,加上波形钢腹板的抗剪强度高,可完全代替混凝土腹板,大大减轻了梁体的重量。与过去的传统结构相比,波形钢腹板预应力组合箱梁的结构更加合理,但是组合箱梁在纵向弯曲时产生的“剪力滞后”(ShearLag)效应也比较严重,需要认真研究。据有关文献检索表明此类组合箱梁的剪力滞研究报道极少。笔者对一实例桥按1∶12比例尺进行缩小,制成了波形钢腹板预应力混凝土单箱单室组合箱梁模型,在弹性阶段对简支箱梁的剪力滞效应进行研究,为此类组合箱梁的相关力学特性研究提供客观评价的依据。为了更方便地描述箱型梁翼板内剪力滞效应,引进剪力滞系数λ的概念,即λ=考虑剪滞变形所求的法向应力按初等梁理论所求得的法向应力(1)λ=考虑剪滞变形所求的法向应力按初等梁理论所求得的法向应力(1)1试验模型1.1模型梁、材料和混凝土材料模型梁高0.3m,顶板宽度0.8m,底板宽度0.3m,简支计算长度2.4m,梁体总长度2.6m。简支梁纵向设四道横隔板,其中端隔板设于支座处,作为体外预应力钢筋的锚固端,两处中横隔板既起增强抗扭刚度的作用,同时也作为体外预应力筋的转向块。模型梁的具体尺寸见图1、2。波形钢腹板厚1mm,波高12mm,采用优质低碳钢,具体构造见图3。箱梁配筋采用体内普通受力钢筋和体外预应力筋混合配筋方式,普通钢筋采用Ⅰ级钢筋,预应力筋采用5mm高强钢丝,控制应力为1475MPa。混凝土材料采用微混凝土,强度等级为C30,实测混凝土立方体抗压强度41.8MPa,棱柱体抗压强度33.3MPa,抗折强度6.6MPa,弹性模量为3.0×104MPa。波形钢腹板抗拉强度为386MPa,屈服强度为384MPa,弹性模量为2.01×105MPa。1.2截面混凝土应变片布置为研究箱梁剪力滞效应,应变片主要沿模型梁纵向布置,测量部位主要有跨中截面及三分点截面,每个截面混凝土应变片布置见图4。在跨中及支座处布设百分表测量实验过程中构件的挠度及支座沉降。2模型试验结果的分析2.1试验结果及分析通过反力架和分配梁以千斤顶加载,加载方式有两组:第一组加载位置为跨中截面,对称加载于腹板与顶板交界处,简称为单点加载;第二组加载位置为两处中横隔板中心(约为三分点位置),简称为双点加载。荷载以压力传感器及压力表来控制,分5、10、15、20、25kN五级加载,分别测量各级荷载作用下箱梁截面测点的应变和构件挠度变形。笔者同时用空间有限元程序和能量变分法对试验结果进行校核。图5~8给出了简支箱梁在单点荷载作用下跨中截面上、下翼板混凝土应力分布图和25kN作用下跨中截面上、下翼板混凝土应力比较图。由图5、7可知,箱梁在较小的荷载作用范围内,其应力呈线性规律增长,横截面上正应力分布不均,肋板与翼板交界处应力大于其它位置的应力值,呈现出典型的剪力滞效应。由图6、8可知,纵向应力的理论计算值(变分法及空间有限元)与试验值比较接近,总体分布规律是一致的。在跨中及三分点位置分别加载时,为了研究集中荷载作用的纵向剪力滞影响范围,试验中同时收集了跨中截面和三分点截面的纵向应力值,参见图9、10。由图9可知,集中荷载作用在跨中时对三分点截面的纵向应力分布规律没有影响;同样,由图10可知集中荷载作用在三分点截面对跨中截面的纵向应力分布规律也没有影响,说明集中荷载作用下的剪力滞效应发生在有限的作用范围内。2.2混凝土应力分析以铁块堆载对箱梁纵向施加均布荷载,采用1.92、3.84、5.77、7.69、9.62kN/m五级加载,分别测量各级荷载作用下截面顶板、底板混凝土应力分布图及在加载值为9.62kN/m时的应力比较图,见图11~14。由图11、13可知,箱梁在均布荷载作用下,翼板横截面上正应力分布不均,肋板与翼板交界处应力大于其它位置的应力值,也呈现出典型的剪力滞效应,但与集中荷载下的正应力分布相比,其剪力滞效应有所减弱。由图12、14可知,纵向正应力的计算值(变分法及空间有限元)与试验值接近,其总体分布规律也是一致的。3混凝土顶、底板剪力滞系数首先按初等梁理论运用材料力学公式求得跨中截面顶、底板水平中心位置纵向均值应力。然后根据式(1)由变分法、空间有限元和试验所得跨中截面最大纵向应力,求得各工况下混凝土顶、底板的最大剪力滞系数,如表1所示。由表1可知,在单点荷载作用于跨中截面时,其顶板的最大剪力滞系数平均为1.09,底板平均为1.04;在双点荷载作用下,其跨中截面上、下翼板的最大剪力滞系数平均为1.0,说明当集中荷载作用于三分点位置时,其跨中截面上、下翼板正应力分布不存在剪力滞效应;在均布荷载作用下其上、下翼板的剪力滞系数均很小,上翼板平均值为1.03,下翼板相应为1.02,说明简支梁跨中截面翼板在集中荷载作用下的剪滞效应要比均布荷载作用下严重。4正剪力滞效应分析根据混凝土翼板纵向应力分布图和剪力滞系数的综合分析,可以得出以下结论:(1)波形钢腹板简支组合箱梁在集中荷载小于25kN或均布荷载小于9.62kN/m的荷载作用下,跨中截面上、下翼板横截面上纵向正应力分布不均,肋板与翼板交界处应力大于其它位置的应力值,呈现出典型的正剪力滞效应。剪力滞系数实测值与有限元及能量变分法计算值吻合,说明所建立的有限元模型和能量变分法的计算方法是正确合理的。(2)在跨中截面集中荷载作用下,箱梁顶板的剪力滞效应比较明显,应力增长最大幅度平均约在9%左右,而