波形钢腹板PC组合箱梁力学特性分析★

董 皓 张鸿亮 何见强 刘煦元 王立峰

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)



·桥梁·隧道·

波形钢腹板PC组合箱梁力学特性分析★

董 皓 张鸿亮 何见强 刘煦元 王立峰

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

以30 m跨径波形钢腹板桥的设计图纸为依据,进行了试验梁的设计与制作，通过理论分析方法，研究了波形钢腹板PC组合箱梁的力学特性，分析了组合箱梁的正应变分布以及钢腹板的剪切破坏形式，并总结了波形钢腹板组合箱梁桥的受力性能，为波形钢腹板组合箱梁结构的分析设计提供参考。

波形钢腹板，组合箱梁，力学特性，预应力

0 引言

随着社会与经济的发展，传统的钢筋混凝土桥梁已经不能满足我国的发展需要，在经济发展的新时期不仅要求建设的桥梁具有跨越能力大的特点，同时需要桥梁能够满足经济、适用、环保、美观等要求。波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥是在20世纪70年代由法国提出的一种采用波折形薄钢板代替混凝土箱梁腹板的新型钢—混组合桥梁，近年来国内学者在抗剪性能、抗弯性能与抗扭性能方面进行了大量的理论分析和试验研究并得到组合箱梁在考虑剪力滞效应和剪切变形效应影响下挠度的计算公式以及分析组合结构扭转和畸变的新方法[1]。波形钢腹板组合箱梁桥具有良好的力学性能并且符合现代桥梁“轻质、高强、大跨径”的发展趋势，是一种具有广阔发展前景的桥梁结构。

1 试验梁的设计与制作

针对波形钢腹板组合箱梁的受力特点及受力性能进行研究，根据几何相似原理进行了试验梁的设计和制作，为确保试验安全顺利进行，保证试验梁的质量以及试验测试所得数据的准确可靠，参考30 m跨径波形钢腹板桥的通用图纸并依据JTG D62—2012公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中相关规定进行试验梁的选材、缩尺设计和施工制作等工序，并同时考虑材料加工和支模浇筑的方便来确定试验梁的具体尺寸和钢筋布置。

1.1 设计尺寸

波形钢腹板PC组合箱梁试验梁的设计尺寸如图1所示。试验梁总长为3.12 m，计算跨径2.98 m，如图1所示；试验梁采用等截面设计，梁高均为290 mm，混凝土顶板宽为650 mm，厚40 mm，底板宽350 mm，厚50 mm，如图2所示；波形钢腹板的主要尺寸如图3所示。

1.2 材料

全梁顶、底板采用C50混凝土，沿梁纵向设置一根在横隔板处弯起的预应力钢绞线，组合箱梁混凝土顶、底板中均按构造要求配置普通钢筋，腹板采用在工厂压制成型的Q235A钢。

1.3 整体布置

试验梁两端简支，截面形式为单箱单室，全梁沿纵向设置4道横隔板，体外预应力钢筋锚固在端横隔板上，试验梁中的预应力钢筋通过设置在中隔板的体外索转向块转向成折线型，并在波形钢板上下缘焊接栓钉来完成腹板与混凝土顶底之间的连接。

1.4 制作过程

依据设计图纸进行波形钢腹板的加工与波形钢板与栓钉的焊接，在实验室完成混凝土模板支护、普通钢筋布置绑扎以及波形钢腹板的安装固定工作，进行浇筑混凝土的同时在相应部位安置应变片及转向块等相关设备，待混凝土养护达到规定强度后进行预应力钢筋的张拉。

2 加载方案

试验利用反力架做支撑并用液压千斤顶对试验梁进行静力加载，用油压表及压力传感器准确控制加载过程中的荷载的大小。加载方式分为跨中加载及三分点对称加载2种形式。在弹性范围内对试验梁进行跨中对称加载，以5 kN为增量进行分级加载，待每级加载稳定后进行读数记录，直至加载到40 kN后卸载，等待2 h组合箱梁弹性变形恢复后再进行三分点对称加载直至弯曲破坏。

3 测点布置与测试内容

试验的主要目的是研究波形钢腹板PC组合箱梁的力学特性及受力特点，得到试验过程中应力与应变的关系曲线，在组合箱梁跨中及1/4截面顶、底板布置应变片测量混凝土板正应变的同时在相应截面波形钢板上布置应变花来测量正应变和剪应变的分布情况，此外，由于试验所用为非完全刚性支座，所以需在跨中、支点、L/4截面的位置分别布置千分表，用于准确测量试验加载过程中箱梁挠度的变化。具体布置情况如图4,图5所示。

4 理论分析

4.1 波形钢腹板的轴向弹性模量

波形钢腹板在轴向为折叠状，在荷载作用下，波形钢板沿梁纵向可以自由压缩，因此轴向变形较大，表观弹性模量Ex较小。如图3所示波形钢板受轴向力作用时，在一个波长范围内，沿各段长度积分并结合卡式定理可计算其轴向变形为:

其中，I为波形钢板单位宽度的截面惯性矩,I=ht3/12；a，b，h分别为钢板波纹的直板段、斜板段、波纹的长度；E0为钢板的弹性模量。

对于与波形钢板在沿梁纵向投影长度相等的平钢板，其在轴向力P的作用下的变形为:

令Δ1=Δ2得:

本试验梁采用了以下尺寸:a=86 mm;b=86 mm;c=74 mm;t=2 mm。

代入上式得：

由此可见，波形钢腹板的表观弹性模量较小，在受到外荷载时，其几乎不抵抗轴力和弯矩的作用。

4.2 波形钢腹板组合箱梁正应变分布

在波形钢腹板组合箱梁中由于钢腹板很薄并且沿梁的纵向具有一定的柔性，当梁受外力而发生弯曲变形时，弯矩仅由组合箱梁的顶、底板承担。同时顶、底板的正应变分布符合线性规律，将梁的这种弯曲特性称为“拟平截面假定”，在波形钢腹板组合箱梁的设计和计算上、下翼板的应变及应力可得到一定的简化。综上所述，波形钢腹板箱梁弯曲正应变分布如图6所示。

4.3 波形钢腹板的剪应力

波形钢腹板组合箱梁与普通箱梁相比最大的特点是用波形钢板代替了混凝土腹板，波形钢腹板PC组合箱梁在受外荷载作用时，梁内产生的剪应力将主要由钢腹板承担[2]，在处于纯剪切状态的波形钢板微元体中，存在一个沿45°方向的主拉应力和沿-45°主压应力，由于波形钢板的截面厚度只有混凝土腹板厚度的几十分之一，在主压应力的作用下将导致其破坏形式由强度破坏转变为失稳破坏。波形钢板的屈曲形式包括整体屈曲、局部屈曲及合成屈曲三种[3]。一般来说，波纹较密时易发生波形钢板整体屈曲，波纹较疏时，易发生波形钢板局部屈曲，并可能在屈曲过程中伴随着合成屈曲。

不考虑扭转时外荷载作用下波形钢腹板的平均竖向剪应力τs：

其中，S为荷载作用时的剪力；SP为计算断面预应力筋的竖向分力；Aω为钢腹板截面面积；t,hw分别为钢腹板厚度和高度。

在设计荷载作用下，由自由扭转引起的剪应力τt：

其中，Mt为外荷载作用产生的扭矩；Am为组合箱梁截面中心线围成的面积；α为修正系数。

因此，波形钢腹板剪应力可以认为由其弯曲致剪应力、自由扭转致剪应力、约束扭转致剪应力三部分构成：

5 结语

波形钢腹板PC组合箱梁作为一种新型的钢—混凝土组合结构，充分利用了混凝土抗压、钢板抗剪强度高的特点，总结波形钢腹板组合箱梁力学特性与优点如下：

1)波形钢板沿梁纵向刚度较低，在施加预应力时波形钢板不会像混凝土腹板产生抵抗反力，这样预应力便可以高效率的施加于混凝土顶、底板，减少了预应力钢材的用量。

2)波形钢腹板组合箱梁受外荷载所产生的剪应力主要由钢腹板承担，由于截面厚度较小导致波形钢腹板的破坏形式为屈曲破坏，当波纹较密时易发生波形钢板整体屈曲，波纹较疏时，易发生波形钢板局部屈曲，并可能在屈曲过程中伴随着合成屈曲。

3)采用轻薄的钢板代替混凝土腹板使组合箱梁的自重大幅减轻，当采用悬臂浇筑施工时不仅可以增加每个施工节段的长度，还可以减少下部结构施工的工程量，相比于同跨径的预应力混凝土桥，明显缩短工期的同时可节约成本10%～30%[4]。

[1] 郑尚敏.波形钢腹板PC组合箱梁桥动力性能研究[D].南京：东南大学,2016.

[2] 吕 梁,梁 斌,徐红玉,等.波形钢腹板箱梁剪切屈曲特性[J].河南科技大学学报(自然科学版),2015(3):70-75，8-9.

[3] 张 琪.波形钢腹板PC组合箱梁腹板剪切屈曲稳定性能研究[D].兰州：兰州交通大学,2015.

[4] 高建峰.体外预应力对波形钢腹板PC组合简支箱梁动力特性影响的试验研究[D].兰州：兰州交通大学,2015.

Analysis on mechanical properties of corrugated steel webs PC composite box girder★

Dong Hao Zhang Hongliang He Jianqiang Liu Xuyuan Wang Lifeng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Based on the design drawings of 30 m span corrugated steel webs bridge, this paper made the design and manufacture of test beams, through the theoretical analysis method, researched the mechanical properties of corrugated steel webs PC composite box girder, analyzed the positive strain distribution of composite box girder and the shear damage form of steel webs, and summarized the stress performance of corrugated steel webs composite box girder, provided reference for the analysis and design of corrugated steel webs composite box girder structure.

corrugated steel webs, composite box girder, mechanical property, pre-stress

1009-6825(2017)12-0135-03

2017-02-15★:大学生创新创业训练计划项目(项目编号:201610225062)

董 皓(1996- )，男，在读本科生； 张鸿亮(1996- )，男，在读本科生； 何见强(1996- )，男，在读本科生； 刘煦元(1996- )，男，在读本科生； 王立峰(1971- )，男，博士，教授

U448.216

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