波形钢腹板几何参数对主梁静力性能的影响

范智皓， 张开银

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

波形钢腹板组合箱梁桥这种新型组合梁桥结构兴起于20世纪80年代[1]。相比较传统的混凝土箱梁桥，波形钢腹板箱梁桥有着能够有效地减轻桥身自重、提升预应力效率、避免腹板开裂等优点，因而成为近些年来国内外桥梁专家与学者的研究重点。周绪红等[2]根据相似理论对某跨径40 m的波形钢腹板组合箱梁桥进行的模型试验，探究了该桥的基本受力性能；李宏江等[3]通过模型试验探究了钢腹板剪切变形对波形钢腹板组合箱梁挠度的影响；郑尚敏[4]对波形钢腹板组合箱梁桥进行了动力性能探究。

目前国内外针对波形钢腹板组合箱梁桥的研究主要集中在静、动力性能分析等方面，而对钢腹板参数分析的研究较少。由于使用波形钢腹板替代了传统的混凝土腹板，而波形钢腹板的几何参数的改变也必然会对主梁的静力性能产生一定的影响，因此有必要对此桥型的腹板几何参数进行进一步的分析。故本文以一座已建波形钢腹板组合箱梁桥为研究对象，研究波形钢腹板几何参数的变化对波形钢腹板主梁静力性能的影响。

1 工程概况

该桥为一座波形钢腹板预应力混凝土连续梁，跨径为(83+153+83) m，主桥横桥向采用双幅桥布置。桥梁上部结构采用单箱单室三跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，根部梁高8.8 m，顶板厚0.3 m，底板厚1.1 m；跨中及边跨处梁高3.5 m，顶板厚0.3 m，底板厚0.3 m；梁高及底板厚均按1.8次抛物线变化。波形钢腹板箱梁典型截面尺寸如图1所示；波形钢腹板采用1600型，几何尺寸如图2所示。

图1 波形钢腹板箱梁典型截面尺寸(单位：cm)

图2 波形钢腹板几何尺寸(单位：mm)

2 有限元模型

采用有限元MIDAS/Civil对桥梁上部结构进行建模分析。用MIDAS/Civil中自带的波形钢腹板设计截面对箱梁截面进行模拟。两桥墩处边界条件为固结，边跨两支座处采用弹性连接。全桥模型共划分为103个单元，108个节点。波形钢腹板箱梁有限元模型如图3所示。

图3 波形钢腹板箱梁有限元模型

3 钢腹板参数变化对箱梁力学性能影响分析

常见的波形钢腹板几何型状如图4所示。其中几何参数通常有钢腹板高度h、钢腹板厚度t、钢腹板长度b、钢腹板波折角θ、钢腹板直板段长度aw、钢腹板斜板段长度bw。由于受到工厂加工限制，通常有aw=bw，因此钢腹板几何参数中只有3个变量：钢板厚度t、钢板直板段长度aw与波折角θ，本文也将针对这3个变量进行参数影响分析[5,6]。

图4 波形钢腹板几何形状

3.1 钢腹板厚度

本小节中控制直板段钢板长度aw=430 mm，波折角度θ=30°，钢腹板高度h=220 mm，波长b=1 600 mm不变；调整钢腹板厚度，钢腹板厚度依次取12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，22 mm。建立有限元模型，分析在荷载作用下，钢腹板厚度的变化对波形钢腹板箱梁的力学性能的影响。其箱梁跨中的挠度及顶、底板正应力的分析结果见表1。

表1 钢腹板厚度变化对箱梁力学性能的影响

分析表1结果可知，调整波形钢腹板的厚度，主梁整体的挠度与应力均发生了一定的变化。主梁挠度方面，随着钢腹板厚度的增大，主梁整体的挠度都有着减小的趋势。其中跨跨中处减小幅度较大，中跨跨中处挠度由37.60 mm减小至34.48 mm，减小了3.12 mm；而边跨1/2处与中跨1/4处减小幅度不大；中支点处挠度基本没有变化。主梁应力方面，随着钢腹板厚度的增大，主梁顶板应力与底板应力也均有减小的趋势。其中中跨跨中处正应力减小幅度较为明显，压应力由1.821 MPa减小至1.722 MPa，减小了0.099 MPa；底板中跨跨中处拉应力由2.641 MPa减小至2.533 MPa，减小了0.108 MPa。其他三处截面正应力也呈现出减小的趋势，但减小幅度均不大。

3.2 钢腹板直板段长度

本小节中控制钢腹板厚度t=12 mm，波折角θ=30°，钢腹板高度h=220 mm，波长1 600 mm不变,调整钢腹板直板段长度，直板段长度依次取230 mm，330 mm，430 mm，530 mm，630 mm。建立有限元模型，分析在荷载作用下，钢腹板直板段长度的变化对波形钢腹板箱梁的力学性能的影响。其箱梁跨中的挠度及顶、底板正应力的分析结果见表2。

表2 钢腹板直板段长度变化对箱梁力学性能的影响

分析表2结果可知，调整波形钢腹板直板段长度，对主梁整体的挠度与应力均有一定的影响。主梁挠度方面，随着钢腹板直板段长度的增大，主梁挠度均呈现出减小的趋势，但减小幅度不明显，中跨跨中处挠度由37.76 mm减小至37.48 mm，减小了0.28 mm。主梁应力方面，随着钢腹板直板段长度的增大，主梁顶、底板正应力也均呈现出减小的趋势，但二者减小幅度均不大。

3.3 钢腹板波折角

本小节中控制钢腹板厚度t=12 mm，直板段长度aw=430 mm，钢腹板高度h=220 mm，波长1 600 mm，调整钢腹板波折角，波折角依次取0°，10°，20°，30°，40°，50°。建立有限元模型，分析在荷载作用下，钢腹板波折角的变化对波形钢腹板箱梁的力学性能的影响。其箱梁跨中的挠度及顶、底板正应力的分析结果见表3。

表3 钢腹板波折角变化对箱梁力学性能的影响

分析表3结果可知：调整波形钢腹板波折角，对主梁桥整体的挠度与应力均有一定的影响。主梁挠度方面，随着钢腹板波折角的增大，主梁整体的挠度都呈现出增大的趋势，其中跨跨中处增大幅度较明显，中跨跨中处挠度由34.19 mm增大至39.68 mm，增大了5.49 mm。主梁应力方面，随着钢腹板波折角的增大，主梁顶板应力与底板应力也均呈现出增大的趋势，但增大幅度均不明显，中跨跨中处顶板压应力由1.813 MPa增大至1.827 MPa，增大了0.014 MPa；底板拉应力由2.629 MPa增大至2.650 MPa，增大了0.021 MPa。由此可见，增加波形钢腹板的波折角不利于改善主梁的静力性能。

4 结 论

波形钢腹板几何参数的变化会对箱梁桥整体力学性能有一定的影响。其中：

(1) 随着钢腹板厚度的增大，主梁的挠度与应力均呈现出减小的趋势，因此增大钢腹板的厚度有利于改善主梁的静力性能；但钢腹板厚度过大会增加钢材的用量，经济效益有所降低。综合考虑，钢腹板厚度取16 mm最为适宜。

(2) 随着钢腹板直板段长度的增大，主梁的挠度与应力呈现出减小的趋势，但减小幅度不大，当直板段长度超过530 mm时，主梁应力有增大的趋势,因此适当增加直板段长度有利于改善主梁的静力性能，但直板段长度不宜超过530 mm。

(3) 随着钢腹板波折角的增大，主梁的挠度与应力呈现出增大的趋势，其中挠度变化最为明显，因此增大钢腹板波折角不利于改善主梁的静力性能。但平钢腹板易发生剪切变形，因此适当增加钢腹板波折角有利于提升钢腹板的抗剪切强度。