波形鋼腹板PC組合連續(xù)梁橋設(shè)計

1、波形鋼腹板PC組合連續(xù)梁橋設(shè)計1波形鋼腹板PC組合箱梁的特點波形鋼腹板預應力混凝土（P。組合箱梁結(jié)構(gòu)是一種新型的鋼一預應力混凝土組合結(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。由于不需要混凝土腹板，相 應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、抗剪屈服強度高的優(yōu)點。波形鋼板最早應用在船舶、集裝箱以及機翼地制造中，后來開始應用在民用建筑之中，瑞典早 在二十世紀六十年代，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，當受到軸向預壓力作用時能自由壓縮，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應力的損失。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混凝土腹板來說， 將達數(shù)十厘米厚，其重量僅為混凝土腹板的1/20左右，同時波形鋼板具有很高的抗剪屈曲強度，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)的預應力混凝土箱梁腹板易出 現(xiàn)斜裂縫的問題

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，主要表現(xiàn)在波形鋼腹板、體外預 應力束布置、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，我國展開了這種 結(jié)構(gòu)的力學性能、工程設(shè)計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)計本橋為上海市中環(huán)高架道路上中路越江隧道申江路濟陽路立交SW匝道，為上海市第一座此類橋梁。該橋為兩跨 45+45m等高預應力波形鋼腹板 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,通過半徑為5m的圓曲線過渡；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組合箱梁標準斷面圖圖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。計算得到單位長度波形鋼腹板縱向最大剪力為1030kN/m。設(shè)計頂板剪力鍵為。22的栓釘，橫向三排，間距為0.1m,計算得到單個栓釘?shù)挠嬎銌挝豢v向抗剪強度為153.3kN,單位長度的縱向抗剪能力為1437kN/m,滿足承載力要求。設(shè)計底板剪力鍵（ PBL形式）容許剪力計算設(shè)計下緣為開。20的孔，孔中穿。18的鋼筋，孔間距為 0.1m。單個孔與

6、筋剪力鍵的計算單位縱向抗剪強度為117.3kN,單位長度的縱向剪力為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預應力布置預應力形式為體內(nèi)體外預應力形式相結(jié)合的方式，如圖7,其中體內(nèi)預應力布置為 2根15-9的頂板通長束，4根15-9的底板通長束以及 6根15-9的底板端束；體外預應力布置為 4根15-12的 通長束，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)計算設(shè)計

7、考慮的汽車荷載為城-B級，采用的施工方法為滿堂支架施工?？紤]施工階段為：成橋；張拉體外預應力； 上二期；成橋10年這四個階段。由于該類橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計采用通用有限元法和Midas軟件計算相結(jié)合進行計算。采用兩計算方法的模型如圖89。其中Midas計算模型采用梁單元模擬，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個單元。其中預應力采用體內(nèi)體外預應力分別模擬。圖8通用有限元計算模型（1/2模型）j曲 置ii而加通口做【川祕而通血 厘iii麗麗 利(b)俯視圖圖9 Midas計算模型通用有限元模型采用梁、板及實體單元模擬，其中混凝土頂?shù)装宀捎脤嶓w單元模擬，波形鋼

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

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

10、0.47.49拉應力5.08112.64.82106.94.51表3預應力作用下各個計算方法應力比較計算方法應力(MPa)理論方法6MidasANSYS計算值比值計算值比值上緣壓應力15.48122.413.76108.812.65拉應力一一一一一下緣壓應力24.22100.722.191.924.06拉應力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的三維實體有限元均可運用到4波形鋼腹板PC組合箱梁的總體分析中；只是，理論方法非常簡單，但只適用于比較簡單的結(jié)構(gòu)形式 與預應力布束；而 ANSYSM以適用任意結(jié)構(gòu)形式及預應力布束，但比較費時；Midas軟件則比較靈活，有自帶波形鋼腹板箱梁的截面，也有很強的預應力束輸入功能，計算分析相對簡單、有效。所 以本文建議利用 Midas軟件來進行波形鋼腹板 PC組合箱梁的總體分析，可以得到相對準確的計算結(jié) 果，但可以利用理論方法及 ANSYS勺三維實體有限元方法來作校核。4結(jié)語與過去的結(jié)構(gòu)相比，波形鋼腹板預應力混凝土組合