波形鋼腹板PC組合連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

1、波形鋼腹板PC組合連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)1波形鋼腹板PC組合箱梁的特點(diǎn)波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土（P。組合箱梁結(jié)構(gòu)是一種新型的鋼一預(yù)應(yīng)力混凝土組合結(jié)構(gòu)（圖1）。圖1波形鋼腹板箱梁這種組合箱梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：占自重25%左右的腹板采用輕型波形鋼板，大幅度減輕了箱梁的自重，使基礎(chǔ)工程在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)減少，從而降低了材料用量和造價(jià)。由于不需要混凝土腹板，相 應(yīng)減少了鋼筋和模板的拼裝、拆除作業(yè)，縮短了工期。在結(jié)構(gòu)上看，波形鋼腹板PC組合箱梁充分利 用了混凝土抗壓，波形鋼腹板質(zhì)輕、抗剪屈服強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。波形鋼板最早應(yīng)用在船舶、集裝箱以及機(jī)翼地制造中，后來(lái)開(kāi)始應(yīng)用在民用建筑之中，瑞典早 在二十世紀(jì)六十年代，就將冷軋波形鋼板

2、梁用于較大跨徑的屋頂主梁。這種波形鋼腹板因其在軸向 為折疊狀板，當(dāng)受到軸向預(yù)壓力作用時(shí)能自由壓縮，因此由上、下混凝土翼板的徐變、干燥收縮產(chǎn) 生的變形幾乎不受約束，從而避免了由于鋼腹板的約束作用而造成箱梁截面預(yù)應(yīng)力的損失。用波形 鋼板代替平面鋼腹板，不僅減輕了箱梁自重，而且也省去了設(shè)置縱橫向加勁肋的繁雜工藝，鋼板的 加工更為便利。與混凝土腹板箱梁相比， 僅有十幾毫米厚的鋼板所能承受的剪力對(duì)混凝土腹板來(lái)說(shuō)， 將達(dá)數(shù)十厘米厚，其重量?jī)H為混凝土腹板的1/20左右，同時(shí)波形鋼板具有很高的抗剪屈曲強(qiáng)度，抗剪的要求很容易滿足。更為重要的是，波形鋼腹板有效地解決了傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板易出 現(xiàn)斜裂縫的問(wèn)題

3、。波形鋼腹板PC組合箱梁所具有的區(qū)別于一般 PC箱梁的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在波形鋼腹板、體外預(yù) 應(yīng)力束布置、波形鋼板與上下混凝土板的結(jié)合，即抗剪連接件等幾方面。近年來(lái)，我國(guó)展開(kāi)了這種 結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、工程設(shè)計(jì)和施工方法等方面的研究1-5,并已經(jīng)建造了幾座波形鋼腹板PC組合箱梁橋。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本橋?yàn)樯虾Ｊ兄协h(huán)高架道路上中路越江隧道申江路濟(jì)陽(yáng)路立交SW匝道，為上海市第一座此類橋梁。該橋?yàn)閮煽?45+45m等高預(yù)應(yīng)力波形鋼腹板 PC組合連續(xù)箱梁橋。截面形式為單箱多室，截面如圖23,箱梁梁高2.5米，箱梁頂板寬為 8.2m,頂板中間厚度為25cm,靠近腹板處加厚到 47cm,通過(guò)半徑為5m的圓曲線過(guò)渡；底板寬

4、為3m最小厚度為25cm,在支座附近加厚到 37.5cm。波形鋼腹板采用 Q345的鋼板扎制而成，其中在跨中厚度為 10mm支座附近加厚到12mm采用 波折為250mm+200mm+250mm+200mm波的形式，波高 150mm 腹板高度為 2210mm其構(gòu)造如圖 3 所示。落!0( 1落!0( 1岫_1”(a)跨中斷面 91林口*10 91林口*10(b)梁端斷面圖2波形鋼腹板PC組合箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖圖3波形鋼腹板截面圖1L圖4頂板錨釘形式抗剪連接件貫曲輛薪Z 1L圖4頂板錨釘形式抗剪連接件貫曲輛薪Z Q221U50圖5底板穿孔形式抗剪連接件波形鋼板埋入式抗剪連接件的抗剪能力由混凝土齒鍵與混

5、凝土抗剪銷共同提供，其中上緣混凝 土與波形鋼腹板之間的剪力鍵采用鋼板上緣焊接翼緣板，在翼緣上焊接錨釘?shù)娜缤B合梁形式的剪 力鍵，如圖4;下緣混凝土與波形鋼腹板之間的剪力鍵采用波形鋼腹板伸入混凝土內(nèi)，在鋼板上打 孔，孔內(nèi)穿鋼筋的 PBL形式的剪力鍵，如圖 5。計(jì)算得到單位長(zhǎng)度波形鋼腹板縱向最大剪力為1030kN/m。設(shè)計(jì)頂板剪力鍵為。22的栓釘，橫向三排，間距為0.1m,計(jì)算得到單個(gè)栓釘?shù)挠?jì)算單位縱向抗剪強(qiáng)度為153.3kN,單位長(zhǎng)度的縱向抗剪能力為1437kN/m,滿足承載力要求。設(shè)計(jì)底板剪力鍵（ PBL形式）容許剪力計(jì)算設(shè)計(jì)下緣為開(kāi)。20的孔，孔中穿。18的鋼筋，孔間距為 0.1m。單個(gè)孔與

6、筋剪力鍵的計(jì)算單位縱向抗剪強(qiáng)度為117.3kN,單位長(zhǎng)度的縱向剪力為1173kN/m,滿足承載力要求。圖6橫隔板布置圖橫隔板采用鋼筋混凝土形式，其中梁端橫隔板厚度為 2m,中支點(diǎn)橫隔板厚度為 1.5m,轉(zhuǎn)向塊上橫隔板厚度為25cm,其它橫隔板厚度為 20cm,單跨內(nèi)橫隔板間距為 6m+6m+9m+6m+6m+ 7.5m圖7預(yù)應(yīng)力布置預(yù)應(yīng)力形式為體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力形式相結(jié)合的方式，如圖7,其中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力布置為 2根15-9的頂板通長(zhǎng)束，4根15-9的底板通長(zhǎng)束以及 6根15-9的底板端束；體外預(yù)應(yīng)力布置為 4根15-12的 通長(zhǎng)束，分別在第 3塊橫隔板下的轉(zhuǎn)向塊轉(zhuǎn)向并錨固于端橫隔板上。3結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)

7、考慮的汽車荷載為城-B級(jí)，采用的施工方法為滿堂支架施工?？紤]施工階段為：成橋；張拉體外預(yù)應(yīng)力； 上二期；成橋10年這四個(gè)階段。由于該類橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計(jì)采用通用有限元法和Midas軟件計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算。采用兩計(jì)算方法的模型如圖89。其中Midas計(jì)算模型采用梁?jiǎn)卧M，采用其自帶的波形鋼腹板截面模擬，在圓弧倒角處采用折線處理，全橋共劃分 60個(gè)單元。其中預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力分別模擬。圖8通用有限元計(jì)算模型（1/2模型）j曲 置ii而加通口做【川祕(mì)而通血 厘iii麗麗 利(b)俯視圖圖9 Midas計(jì)算模型通用有限元模型采用梁、板及實(shí)體單元模擬，其中混凝土頂?shù)装宀捎脤?shí)體單元模擬，波形鋼

8、腹板采用板殼單元模擬， 預(yù)應(yīng)力采用梁?jiǎn)卧M，全橋共劃分45328個(gè)實(shí)體單元，3684個(gè)板單元，256個(gè)梁?jiǎn)卧?。預(yù)應(yīng)力作用采用降溫處理。計(jì)算得到采用 Midas計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果全橋成橋階段為全截面受壓，上緣最大壓應(yīng)力為 13.45MPa,下緣最大壓應(yīng)力為13.84MPa。采用通用有限元計(jì)算軟件得到的計(jì)算結(jié)果亦為全截面受壓， 壓應(yīng)力略大。理論方法6、Midas的梁?jiǎn)卧Ｐ?，通用有限元軟件的三維空間模型，這些方法計(jì)算 得到的結(jié)果比較見(jiàn)表 1表3。表中，應(yīng)力單位為 MPa比值為理論方法或 Midas計(jì)算得到的應(yīng)力值 與ANSYST法計(jì)算得到的應(yīng)力值得到的百分比。由表中數(shù)據(jù)可以得到，這些方法得到的計(jì)算

9、結(jié)果變 化趨勢(shì)非常相近，且具體數(shù)據(jù)也比較接近。表1自重作用下各個(gè)計(jì)算方法的應(yīng)力比較、計(jì)算方法應(yīng)力(MPa)理論方法6MidasANSYS計(jì)算值比值計(jì)算值比值上緣壓應(yīng)力2.7881.82.9987.93.40拉應(yīng)力4.8880.15.1885.16.09下緣壓應(yīng)力8.9976.39.3379.211.78拉應(yīng)力6.4489.36.5991.47.21表2二期恒載作用下各個(gè)計(jì)算方法的應(yīng)力比較計(jì)算方法應(yīng)力(MPa)理論方法6MidasANSYS計(jì)算值比值計(jì)算值比值上緣壓應(yīng)力2.78118.32.1892.82.35拉應(yīng)力4.88137.93.67103.73.54下緣壓應(yīng)力7.0994.76.779

10、0.47.49拉應(yīng)力5.08112.64.82106.94.51表3預(yù)應(yīng)力作用下各個(gè)計(jì)算方法應(yīng)力比較計(jì)算方法應(yīng)力(MPa)理論方法6MidasANSYS計(jì)算值比值計(jì)算值比值上緣壓應(yīng)力15.48122.413.76108.812.65拉應(yīng)力一一一一一下緣壓應(yīng)力24.22100.722.191.924.06拉應(yīng)力6.3188.56.2187.17.13由以上的分析可以得到，理論方法、Midas分析軟件以及 ANSYS的三維實(shí)體有限元均可運(yùn)用到4波形鋼腹板PC組合箱梁的總體分析中；只是，理論方法非常簡(jiǎn)單，但只適用于比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式 與預(yù)應(yīng)力布束；而 ANSYSM以適用任意結(jié)構(gòu)形式及預(yù)應(yīng)力布束，但比較費(fèi)時(shí)；Midas軟件則比較靈活，有自帶波形鋼腹板箱梁的截面，也有很強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力束輸入功能，計(jì)算分析相對(duì)簡(jiǎn)單、有效。所 以本文建議利用 Midas軟件來(lái)進(jìn)行波形鋼腹板 PC組合箱梁的總體分析，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié) 果，但可以利用理論方法及 ANSYS勺三維實(shí)體有限元方法來(lái)作校核。4結(jié)語(yǔ)與過(guò)去的結(jié)構(gòu)相比，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合