波纹钢腹板的剪切屈曲荷载影响因素分析

孙建民

(新疆交通规划勘察设计研究院)

0 前 言

目前使用波纹钢腹板材料作为桥梁结构是一种新型的桥梁，其具有轻质的的特性，从而降低了主桥梁的自身重量，可以替代原有的混凝土腹板材料桥梁。

以前常采用线性理论来分析波形钢腹板的剪切屈曲模式和极限荷载，但是它完全没有考虑材料的塑性和初始几何缺陷的影响。本文通过对预应力波纹钢腹板的腹板厚度、波高、斜板倾角等参数的变化分析，得出这些参数对波纹钢腹板屈曲的影响，旨在对波纹钢腹板主梁的合理设计提供参考

1 屈曲强度计算理论

假设波形钢腹板的平板是相互分离，且是简支钢板条，计算局部屈曲强度公式

式中:b 为平板长度，(平板长度≥斜板长度);t 为波形钢腹板厚度;ν 为泊松比。

k 为剪切屈曲系数，令α=hw/w 有:

波纹钢腹板整体弹性屈曲强度计算公式(Bergmann －Reissne)

式中:Dx为X 坐标单位长度抗弯刚度;Dy为Y 坐标单位长度抗弯刚度;t 为波形钢腹板的厚度;hw为波形钢腹板高。

2 空间有限元模型

波纹钢腹板的剪切屈曲极限荷载力与腹板的大小和形状有直接的关系，理论设定初始几何变形幅值:腹板短边长度的1/1 000 取值，分析其波纹的波高和水平面板宽度等形状因素，找到屈曲荷载的变化规律。

2.1 板厚变化

波形钢腹板的形状如图1 所示，波形钢腹板波长取值q=1 600 mm，波高为hf=220 mm，直板段宽b =430 mm，斜板倾角为θ =30.7°。板厚分别为6. 0 mm，8. 0 mm，10. 0 mm，12.0 mm，14.0 mm 和16.0 mm，分析板厚对屈曲荷载的影响，其他参数保持不变。

通过分析，桥梁结构剪切破坏的关键是剪切屈曲，与材料剪切屈服强度关系不大，所以在剪切屈服强度的基础上增加相应的稳定安全系数，可以加大桥梁结构的抗剪强度。

2.2 波高变化

通过分析，在保持倾角不变的前提下控制波高并确保斜板宽度小于直板段宽度，这样可以防止屈曲过早发生破坏。

图1 波形钢腹板波纹形状图

2.3 斜板倾角变化

通过分析，斜板倾角的变化对于波形钢腹板的极限屈曲应力的影响较大，倾角越大屈曲应力越大，所以在实际建设中，在满足设计要求的前提下尽量增大斜板倾角可以提高波形钢腹板的结构性能。

2.4 直板段宽度变化

通过分析，平板宽度取值330 mm、430 mm、480 mm、530 mm、630 mm，分别对相应长度的波形钢腹板屈曲极限应力以及对应的最大屈曲位移进行计算，得出结论波形钢腹板的水平段长度480 mm，因为如果水平段长度超过这个范围会发生局部屈曲破坏。相对于波形钢腹板的水平段长度其宽度的影响可以忽略不计。

2.5 梁高变化

表1 梁高变化

通过表1 分析，提高截面屈曲抗剪承载力的方法可以通过适当的增大梁高，但是增大梁高的时候要注意实际桥梁的设计需求和环境因素，相比增大梁高，增大横隔板间距的影响可以忽略不计。

3 结 论

(1)波纹钢腹板的板厚不断的增加，其屈曲破坏的变形也就不断加大，屈曲控制从局部到整体蔓延。

(2)需要确保斜板宽度小于直板段宽度，这样可以防止屈曲过早发生破坏，控制方法是保持倾角不变的前提下控制波高。

(3)保证波形钢腹板的水平段长度480 mm，因为如果水平段长度超过这个范围会发生局部屈曲破坏。相对于波形钢腹板的水平段长度其宽度的影响可以忽略不计。

(4)提高截面屈曲抗剪承载力的方法可以通过适当的增大梁高，但是增大梁高的时候要注意实际桥梁的设计需求和环境因素，相比增大梁高，增大横隔板间距的影响可以忽略不计。