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波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

时间:2007-1-30栏目:交通运输论文

  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

1 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-Cognac桥,其后又相继建造了Maupre高架桥、Asterix桥和Dole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1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抵抗轴向力,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。

2 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抵抗施工荷载和恒载,箱内的体外预应力用来抵抗活载。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。
2.1 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、波纹形状有关,可由下式计算
  Ex=αE(t/h)2(1)
  式中,Ex为等效轴向弹性模量;E为钢材的弹性模量;t为钢板厚度;α为波纹的形状系数。根据此式,日本新开桥Ex=E/617。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。
2.2 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(2) 式中,Jt为抗扭刚度;Am为箱梁的横截面面积;b1为箱体的宽度;h1为波形钢腹板的高度;ns为钢材和混凝土剪切模量的比值;t为构件的厚度;α为修正系数(3)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。
2.3 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抵抗作用,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(4) 式中,σb为拉应力;σa为抗拉强度;τb为剪应力;τa抗剪强度;γ为安全系数,建议取值为1.2。
2.4 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(如图2所示)。
  (1)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
  (5)
  式中,τcr?熏L为局部屈曲强度;E为钢材的弹性模量;ν为钢材的泊松比;b为腹板的高度;a为波  段长;K为屈曲系数,有
  (6)
  (2)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
  (7)
  式中,τcr?熏G为整体屈曲强度;β为波形钢腹板两端的固定度系数;E为钢材的弹性模量;Iy为y轴的惯性矩;Ix为x轴的惯性矩,t为钢板的厚度;b为腹板的高度。
  (3)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
  (8)式中,τcr为合成屈曲强度;τcr?熏L为局部屈曲强度;τcr?熏G为整体屈曲强度。
2.5 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(如图3所示)。波形钢

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