波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法.doc

摘要钢混凝土组合结构桥梁在日本和欧美得到了广泛应用其特点在于它充分利用了混凝土和钢的材料特点本文通过分析波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的构造特征和力学特性阐述了这种新型组合结构的设计方法并介绍了国外的桥梁实例关键词波形钢腹板预应力混凝土组合结构结构设计引言随着体外预应力技术的日趋成熟和新型建筑材料的发展许多国家的工程师都在对大跨径桥梁的主梁轻型化问题进行研究在上世纪八十年代法国首先设计并建造了以波形钢腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型组合结构桥梁桥其后又相继建造了高架桥桥和等数座波形钢腹板的组合结构桥梁该形式箱梁的典型结构如图所示自上世纪九十年代起日本也对该类形式的桥梁进行了研究在参考法国同类桥梁的基础上先后修建了新开桥本谷桥松木七号桥等一系列桥梁其中有连续梁桥也有连续刚构桥拓宽了其使用范围发展了设计和施工技术波形钢板即折叠的钢板具有较高的剪切屈曲强度用它作为混凝土箱梁的腹板不但充分满足了腹板的力学性能要求而且大幅度减轻了主梁自重缩减了包括基础在内的下部结构所承受的上部恒载还省去了施工时在腹板中布置钢筋设置模板等繁杂的工作此外波形钢板纵向伸缩自由的特点使得其几乎不反抗轴向力能更有效地对混凝土桥面板施加预应力提高了预应力效率这种组合结构能减少工程量缩短工期降低成本在施工性能和经济性能方面都具有很大的吸引力设计方法当桥梁上部采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的结构形式时和普通的钢筋混凝土箱梁桥一样其设计需要针对施工和使用阶段的不同要求施工阶段的计算要结合具体的施工形式比如连续梁桥可以采用悬臂施工顶推法施工或其它的方法主要的计算荷载有自重预应力混凝土不同龄期的收缩徐变施工荷载等使用阶段则要考虑汽车荷载风荷载温度荷载等箱梁内通常同时设置体内和体外预应力由混凝土顶板和底板内的体内预应力反抗施工荷载和恒载箱内的体外预应力用来反抗活载这样考虑的原因之一是为了满足更换体外预应力钢束时结构的受力要求纵向抗弯计算波形钢腹板在轴向力的作用下轴向变形很大表现出来的等效弹性模量很小波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚波纹外形有关可由下式计算式中为等效轴向弹性模量为钢材的弹性模量为钢板厚度为波纹的外形系数根据此式日本新开桥已进行的模型实验和有限元计算的结果进一步证实波形钢腹板在受弯时纵向正应力正应变很小可以忽略即在进行截面抗弯设计时只考虑混凝土顶板和底板的作用并近似的认为混凝土顶板和底板内的纵向正应变符合线性分布规律仍然按照平截面假定计算应力布置预应力钢束抗扭计算箱梁在偏心荷载作用下截面将发生扭转变形在混凝土腹板箱梁中扭转的影响并不大但在波形钢腹板箱梁中由于腹板的弯曲刚度和混凝土顶板底板相比小得多这对截面扭转变形的影响显著增大会在混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力到目前为止关于波形钢腹板箱梁扭转刚度的计算还没有明确的结论通过对建成的该类桥梁的技术总结和研究日本工程师上平等人提出了一种计算其抗扭刚度的方法式中为抗扭刚度为箱梁的横截面面积为箱体的宽度为波形钢腹板的高度为钢材和混凝土剪切模量的比值为构件的厚度为修正系数实际设计当中鉴于截面扭转刚度和横隔板布置有密切关系在不过于增加主梁自重的前提下适当增加横隔板数量并调整间距可以有效的保证箱梁抗扭刚度波形钢腹板的应力计算波形钢腹板主要承受剪应力在设计中可以偏保守地假定结构所有的剪应力都由波形钢腹板承受忽略混凝土顶板和底板对剪应力的反抗作用从而计算出波形钢腹板所需的最小厚度波形钢腹板不仅承受上述剪应力同时也承受横向弯曲所引起的弯曲应力因此必须对波形钢腹板的合成应力进行验算公式为式中为拉应力为抗拉强度为剪应力抗剪强度为安全系数建议取值为波形钢腹板的屈曲稳定性计算波形钢腹板的屈曲破坏主要有三种模式局部屈曲模式波形钢腹板的某一个波段部分出现屈曲破坏的现象局部屈曲强度的计算可按下式式中熏为局部屈曲强度为钢材的弹性模量为钢材的泊松比为腹板的高度为波段长为屈曲系数有整体屈曲模式波形钢腹板整体出现屈曲破坏的现象整体屈曲强度的计算可按照下式式中熏为整体屈曲强度为波形钢腹板两端的固定度系数为钢材的弹性模量为轴的惯性矩为轴的惯性矩为钢板的厚度为腹板的高度合成屈曲模式波形钢腹板同时出现局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的现象是处于局部屈曲和整体屈曲中间的屈曲模式合成屈曲强度由下式计算式中为合成屈曲强度熏为局部屈曲强度熏为整体屈曲强度波形钢腹板和混凝土顶板底板的连接模型实验表明在加载后期除了底板横向开裂外波形钢腹板与底板交界处沿纵向开裂随着裂缝的发展结构刚度迅速降低最终导致破坏破坏特征为腹板和底板的连接部碎裂波形钢腹板和混凝土顶板底板的连接直接关系到结构的承载力是设计此类桥梁中非常关键的环节对于连接部的设计通常的做法是在波形钢腹板的上下端焊接钢制翼缘板翼缘板上焊接剪力钉使之与混凝土板结合在一起图还可以采用在钢腹板上钻孔穿过钢筋再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后埋入混凝土板的做法图在此基础上还可衍生出其它的连接方法工程实例自年起日本从法国引进了波形钢腹板组合结构的技术目前日本大力鼓励设计人员在主要高速公路中采用这种结构形式正在建设中的中野高架桥是日本关西地区阪神高速公路段的一部分为采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的四跨连续梁桥全桥的立面布置见图主梁为单箱单室的变高度箱梁同时设置了体外和体内预应力体系支点梁高跨中梁高梁高按照二次抛物线变化波形钢腹板采用抗拉强度抗剪强度的耐腐蚀钢板波长波高钢板厚度为了提高主梁的横向抗变形能力除在支点和体外预应力的转向处设置横隔板还在纵向的不同位置加设了横隔板主梁截面和波形钢腹板的一般构造见图该桥的上部结构采用悬臂浇筑法施工墩顶的号节段长在墩架上现浇其余节段分别长和均在挂篮上悬臂浇筑混凝土及拼装钢腹板结语钢混凝土组合结构桥梁的设计和建造在国内起步比较晚尤其是本文介绍的波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥在国内尚无实桥与此同时法国德国尤其是日本相继建设了数座此种类型的桥梁设计和施工技术日益成熟波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁非凡适合于中大跨径的连续梁桥随着国内对这种结构的研究分析工作的开展波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥将会在我国的桥梁建设中得到应用参考文献刘岚崔铁万编译本谷桥的设计与施工国外桥梁刘磊钱冬生波形钢腹板的受力行为铁道学报增近藤昌泰熏等波形钢腹板箱梁新开桥设计与施工桥梁与基础日