几何参数对预应力波纹钢腹板连续箱梁屈曲荷载的影响研究

许 莉,房贞政,陈凌秀

（福州大学土木工程学院,福州替换为 350108）

几何参数对预应力波纹钢腹板连续箱梁屈曲荷载的影响研究

许 莉＊,房贞政,陈凌秀

（福州大学土木工程学院,福州替换为 350108）

为了防止预应力波纹钢腹板连续箱梁发生屈曲破坏,文中以某大桥为工程背景,通过空间有限元法分析了预应力波纹钢腹板连续箱梁在各种腹板尺寸参数下,钢腹板屈曲临界荷载的变化.计算结果表明:腹板折叠角越大,波纹钢腹板箱梁屈曲临界荷载越大;腹板越厚,屈曲临界荷载随厚度的增大而呈抛物线形的增加幅度越大;腹板倾斜角越大,屈曲临界荷载随倾斜角的增大逐渐增大而近似呈线性变化;腹板越高,屈曲临界荷载随着腹板高度的增大而减小.因此,合理选择腹板的几何尺寸对预应力波纹钢腹板箱梁桥的屈曲稳定起着重要的作用.

波纹钢腹板;空间有限元;屈曲临界荷载;参数分析

波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥是采用波纹钢腹板并在箱内设置体外预应力束的一种新型组合结构桥梁,这种结构提高了材料的使用效率,减轻了结构的自重并且具有较强的美感.

以波纹钢腹板替代传统的混凝土腹板要保证结构在施工及运营过程中的安全,即由于腹板变薄后,在结构设计中不仅要考虑到箱梁腹板的剪切强度要求,而且腹板应满足稳定性方面的要求,腹板不能突然失稳破坏,使结构丧失承载力.到目前为止,从国内外的研究现状看,文[1-3]中已对波纹钢腹板屈曲的影响因素进行分析,但对布置体外预应力筋的波纹钢腹板连续箱梁的屈曲研究却进行的很少.本文通过对预应力波纹钢腹板连续箱梁桥的腹板厚度、腹板倾斜角度以及腹板折叠角等参数的变化分析,得出这些参数[4]对于波纹钢腹板侧倾屈曲的影响,旨在对预应力波纹钢腹板连续箱梁桥的合理设计提供参考.但本文未对波纹钢腹板的初始缺陷及箱梁的剪力连接件进行分析,它们也是重要的影响因素,另文再研究.

1 典型工程的有限元方法

预应力波纹钢腹板箱梁的侧倾屈曲也称为弯扭屈曲或梁丧失整体稳定,其特征是在屈曲临界荷载作用下,梁突然发生侧向弯曲,且同时伴随着扭转变形而破坏[5].

1.1 工程简介

该桥为3跨连续波纹钢腹板组合箱梁组成（47 m+91.5 m+47 m）,箱梁高为3.25 m,翼缘悬臂长3.7 m,悬臂端部板厚0.25 m,箱梁顶板厚0.28 m,底板厚度0.696 m,如图1所示.波纹钢腹板采用抗拉强度310 MPa、抗剪强度 180 MPa的Q345qd钢材,箱梁采用斜腹板,其形状如图2所示,波纹钢腹板的形状系数包括水平面板宽b为340 mm、斜向面板的水平投影长 d为160 mm、折叠角度α为45、腹板高度h为160 mm、斜向面板的长度为c为226 mm[6-7].倾斜角度约为25°,钢板厚度20 mm.

图1 某高架桥横断面图Fig.1 Cross section of box girder（unit:mm）

图2 波纹钢腹板的形状Fig.2 Shape of corrugated steel web（unit:mm）

1.2 有限元模型

本文的有限元模型采用实体单元模拟混凝土顶、底板,采用壳体单元模拟波纹钢腹板[8],底板预应力钢束按等效荷载考虑,体外预应力钢束用三维杆单元模拟,张拉力通过给定初应变来实现,预应力钢束与横隔板相交处采用节点耦合以保证其变形协调,预应力筋采用link8单元来模拟[9],体外索采用link10单元来模拟.本文建立的有限元静力分析模型节点总数为253221个,全桥共划分25734个实体单元、1102个壳体单元、2024个link8单元和192个link10单元.不考虑波纹钢腹板的初始缺陷.材料特性见表1.

表1 单元材料特性Tab.1 Element's material characteristics

本文采用的有限元模型的边界约束条件[10][11]为:中间固定铰支承处 ,约束 Ux、Uy、Uz、Roty、Rotz向位移;两端支承处 ,约束 Ux、Uy、Roty、Rotz向位移.横向为 x轴,竖向为 y轴,纵向为 z轴.

带有边界条件的全桥有限元模型如图3所示.

图3 桥梁上部结构模型三维图Fig.3 3D-element model of the bridge superstructure

文中将改变波纹钢腹板的各个参数值,得出临界屈曲荷载的理论值,并建立多个有限元模型,控制有限元分析在线弹性范围内,通过反复改变单元的尺寸来检验、分析结果的收敛性和有效性,得出临界屈曲荷载的电算值.

2 腹板参数分析

2.1 波纹钢腹板折叠角的影响

变化波纹钢腹板的折叠角,但保持板厚 t=20 mm及b=340 mm,d=160 mm不变.表2列出了有限元模型的计算结果.

表2 屈曲荷载随波纹钢腹板折角的变化Tab.2 Buckling load variation with web corrugation angles

由下图4可以看出,随着折叠角的变大,波纹钢腹板箱梁屈曲荷载逐渐增大.特别是折叠角在15°～35°范围内变化时最为明显.

图4 屈曲荷载值随波纹钢腹板折角的变化Fig.4 Buckling load variation with web corrugation angles

2.2 波纹钢腹板水平面板宽的影响

将波纹钢腹板水平面板宽度b从140 mm变化到490 mm,保持波纹板的厚度t=20 mm及折叠角度不变.表3列出了有限元模型的计算结果.

从图5中可以看出,在折叠角不变的情况下,随着波纹板水平面板宽的增大,箱梁的屈曲荷载变化比较明显.当水平面板宽度小于240 mm时,随着波纹板水平面板宽的增大,箱梁桥的屈曲荷载逐渐增大.当水平面板宽度介于240 mm和390 mm之间时,箱梁的屈曲荷载随着波纹板水平面板宽度的增大,呈抛物线变化,340 mm时达到最小,390 mm时达到最大.当波纹板直板宽度大于390 mm时,屈曲荷载随着板宽的增大逐渐减小.

现将不同波纹折叠角下的波纹水平面板宽变化对屈曲荷载的影响结果列于下图进行比较.波纹折叠角变化分为 15°、25°、35°、45°、55°和 60°6 种情况[12].

表3 屈曲荷载随水平板面宽的变化Tab.3 Buckling load variation with widths of horizontal plate

图5 屈曲荷载随水平板面宽的变化Fig.5 Buckling load variation with widths of horizontal plate

图6中可以看出,随着波纹折叠角的增大,箱梁的屈曲荷载逐渐增大,且在 45°、55°和 60°这 3种情况下,当波纹水平面板宽度在240～390 mm之间变化时,箱梁桥的侧倾屈曲荷载较大[13,14],当波纹板水平面板宽度为390 mm时,箱梁的侧倾屈曲荷载值最大 ,在 15°、25°和 35°这 3 种情况下 ,当波纹板水平面板宽度为240 mm时,箱梁的侧倾屈曲荷载值最大.

2.3 波纹钢腹板厚度的影响

保持混凝土顶板、底板的厚度等基本参数不变,只变化波纹钢腹板的厚度,计算波纹钢腹板连续箱梁桥的屈曲荷载,可以揭示波纹钢腹板厚度对箱梁屈曲稳定的影响.

波纹钢腹板平均厚度为20 mm,现在改变波纹钢腹板的板厚,依次变化为:5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm和 40 mm 8种情况.利用有限元分析程序,计算各种厚度下波纹钢腹板箱梁的屈曲荷载,列于表4.

图6 屈曲荷载随水平板面宽的变化Fig.6 Buckling load variation with widths of horizontal plate

表4 屈曲荷载随波纹腹板厚度的变化Tab.4 Buckling load variation with thicknesses of corrugated steel web

由图7中可以看出,预应力波纹钢腹板连续箱梁的屈曲荷载均随着板厚的增大而呈抛物线型的增大,且板厚越大时,屈曲荷载增加的也越多.

2.4 波纹钢腹板倾斜角度的影响

波纹钢腹板与竖向倾斜角度θ从 45°变化到90°,表5列出了有限元模型的计算结果.

从图8可以看出,箱梁屈曲荷载随着波纹钢腹板倾斜角的增大逐渐增大,近似呈线性变化.当腹板为直腹板时,箱梁的侧倾屈曲荷载最大.

2.5 波纹钢腹板高度的影响

依据上面的分析方法,保持跨径、边界条件、波纹形状尺寸以及除箱梁高度以外的尺寸不变,只变化箱梁的高度,可以得到不同有限元分析结果,表6列出了有限元模型的计算结果.

表5 屈曲荷载值随波纹钢腹板倾斜角度的变化Tab.5 Buckling load variation with inclination angles of corrugated steel web

表6 屈曲荷载值随波纹钢腹板高度的变化Tab.6 Buckling load variation with heights of corrugated steel web

从图9中可以看出,随着箱梁腹板高度的增大,箱梁的侧倾屈曲荷载减小,箱梁高度变化范围在2.77～5 m时,侧倾屈曲荷载下降的最为明显.

图9 屈曲荷载值随波纹钢腹板高度的变化Fig.9 Buckling load variation with heightsof corrugated steel web

3 结论

本文通过建立多个有限元模型对波纹钢腹板厚度、腹板的倾斜角度以及腹板折叠角等参数进行了分析,得出以下结论.

（1）随着折叠角的变大,波纹钢腹板箱梁的屈曲荷载逐渐增大.特别是折叠角在15°～35°范围内变化时最为明显.

（2）预应力波纹钢腹板连续箱梁的屈曲荷载均随着板厚的增大而呈抛物线型的增大,且板厚越大时,屈曲荷载增加的也越多.

（3）箱梁屈曲荷载随着波纹钢腹板倾斜角的增大逐渐增大,近似呈线性变化.当腹板为直腹板时,箱梁的侧倾屈曲荷载最大.

（4）随着箱梁腹板高度的增大,箱梁的侧倾屈曲荷载减小,箱梁高度变化范围在2.77～5 m时,侧倾屈曲荷载下降的最为明显.

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Abstract:To avoid buckling failure of corrugated steel webs in prestressed concrete box girder,using certain bridge as the research subject,this article uses the space finite method to analyse the influences of buckling critical load of the corrugated steel webs with different web dimension parameters in prestressed concrete continuous box girder.The results showed that when web corrugation angles increased,the rise level of buckling critical load would become more steep.When web thicknesses increased,the rise level of buckling critical load in parabola shape would become more steep;when web inclination angles increased,the rise level of buckling critical load in linear shape would become more steep;when web heights increased,the rise level of buckling critical load would become less steep.So reasonable choice of different geometric dimension of web had a key role on buckling stability.

Key words:corrugated steelweb;3D finite element; buckling criticalload;geometrical parameter

Bucking analysis of geometrical parameter for corrugated steel webs in prestressed concrete continuous box girder

XU Li,FANG Zhenzheng,CHEN Lingxiu
（College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108）

U448.21

A

1000-1190（2010）04-0590-05

2010-09-08.

福州市科技发展基金资助项目（2010-G-105）.

＊E-mail:fzxuli0102@yahoo.com.cn.

图7 屈曲荷载值随波纹钢腹板厚度的变化

Fig.7 Buckling load variation with thicknesses of corrugated steel web