波形钢腹板组合箱梁桥横向受力性能有限元分析_解冰.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.016作者简介：解冰（1973-），男，硕士，正高级工程师，主要从事路桥设计及科研工作。基金项目：广东省交通运输厅科技项目，“大跨双向波形钢-超高强粉末混凝土（RPC）组合箱梁连续刚构桥”（科技-2016-02-014）E-mail：0引言波形钢腹板-预应力混凝土（PC）组合箱梁是一种新型钢-混凝土组合结构。波形钢腹板具有较强的抗剪切能力，在同等跨径情况下，采用波形钢腹板代替传统混凝土腹板，桥梁腹板的自重减轻8倍。其次，由于波形钢对轴向力无抵抗，使箱梁纵向预应力全部集中作用在顶、底板上，提高了预应力效率。正因为波形钢腹板-PC组合箱梁桥优越的抗剪性能，能够彻底解决混凝土腹板开裂的顽症，通过加大梁高来提高抗弯刚度，能有效地控制跨中持续下挠，故在工程具有更好的经济效益和应用价值。波形钢腹板-PC组合箱梁“起源于法国，发展于日本”，20世纪90年代日本引进波形钢腹板-PC组合箱梁后，进行了深入研究和推广发展，成为世界上修建此类桥梁最多的国家，迄今建成200余座。目前，日本新名神高速安威川桥（主跨179 m）为世界上最大跨径波形钢腹板-PC刚构桥1。在中国，波形钢腹板-PC组合箱梁桥起步较晚，但发展飞快。2011年，主跨 120 m的波形钢腹板 PC组合多跨连续箱梁桥山东鄄城黄河大桥建成通车2。2021年，主跨120 m的最大跨径波形钢腹板悬拼梁桥南阳湘江特大桥顺利建成通车。2021年，广西平沙公路项目正在建设主跨185 m的飞龙大桥将成为世界最大跨径1800型波形钢腹板连续刚构桥3。伴随着波形钢腹板-PC组合箱梁桥的广泛应用，研究不断地深入，桥梁跨径取得不断突破。但其横向跨距的增大，钢腹板的相对刚度减小，设计中横向受力方面的问题更加突出4。国内外学者对组合箱梁的横向受力性能情况展开了大量的研究。刘清等人5波形钢腹板组合箱梁桥横向受力性能有限元分析解冰1，官润荣1，曲研1，上官兵2，林铭毅3（1、广东省冶金建筑设计研究院有限公司广州510080；2、同济大学土木工程学院上海200092；3、福州大学土木工程学院福州350108）摘要：波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥采用抗剪性能优异的波形钢腹板代替混凝土腹板，并采用UHPC翼缘板减低箱梁自重，有效控制了腹板开裂、跨中持续下挠以及腹板过高的问题，可广泛应用于跨径100300 m的桥梁。旨在试设计采用双肢并列波形钢腹板的形式，并通过有限元分析软件ABAQUS，对比分析在恒载、汽车满载和偏载作用下单肢段和双肢段波形钢腹板横向节段的受力性能差异。结果表明，双肢段组合箱梁的承载能力优于单肢段，单肢段与双肢段的混凝土底板的主要受拉区域均出现在混凝土顶板与波形钢腹板连接的区域附近，且单肢段波形钢腹板的应力呈现出波折状不均匀分布，而双肢段波形钢腹板的应力分布较为均匀，双肢段波形钢腹板的最大拉压应力明显小于单肢段。关键词：波形钢腹板；UHPC；组合箱梁；双肢；横向分析中图分类号：TU443.3文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-067-06Finite Element Analysis of Transverse Performance of Composite Box Girder BridgeFinite Element Analysis of Transverse Performance of Composite Box Girder Bridgewith Corrugated Steel Webswith Corrugated Steel WebsXIE Bing1，GUAN Runrong1，QU Yan1，SHANGGUAN Bing2，LIN Mingyi3（1、Guangdong Metallurgical and Architectural Design Institute Co.，Ltd.Guangzhou 510080，China；2、School of Civil Engineering，Tongji UniversityShanghai 200092，China；3、School of Civil Engineering，Fuzhou UniversityFuzhou 350108，China）AbstractAbstract：The corrugated steel web-UHPC composite box girder bridge uses corrugated steel webs with excellent shear resistance insteadof concrete webs，and uses UHPC flange plates to reduce the weight of the box girder，which effectively controls the problems of webcracking，continuous mid-span deflection and excessive webs.It can be widely used in bridges with a span of 100300 m.The purpose ofthis paper is to try to design the form of double-leg parallel corrugated steel webs，and through the finite element analysis softwareABAQUS，comparative analysis in the dead load，vehicle full load and partial load under the action of single-leg and double-leg corrugatedsteel webs transverse segment of the mechanical performance differences.The results show that the bearing capacity of the double-limb composite box girder is better than that of the single-limb section.The main tensile areas of the concrete floor of the single-limb section and thedouble-limb section appear near the connection area between the concrete roof and the corrugated steel web，and the stress of the corrugatedsteel web of the single-limb section is unevenly distributed，while the stress distribution of the corrugated steel web of the double-limb section is more uniform，and the maximum tensile and compressive stress of the corrugated steel web of the double-limb section is significantlysmaller than that of the single-limb section.Key wordsKey words：corrugated steel web；UHPC；composite box girder；double-limb；transverse analysis67解冰，等：波形钢腹板组合箱梁桥横向受力性能有限元分析MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期通过空间有限元方法分析了波形钢腹板PC这箱梁在局部荷载作用下的横向内力问题；赵品等人6-7基于框架分析法研究表明了混凝土顶板和波形钢腹板的线刚度对桥面板横向内力的影响；贾慧娟等人8通过对波形钢腹板组合箱梁桥进行试验研究和有限元计算，提出横向设计弯矩系数以确保组合箱梁横向设计的安全性；袁卓亚等人9运用弹性薄板理论将单箱单室波形钢腹板PC组合箱梁分解为箱型框架和翼缘板叠加计算横向内力结果；王兆南等人10研究了波形钢腹板箱梁宽高比对单箱双室组合箱梁横向内力的影响规律，结果表明横向弯矩随宽厚比的增大而增大；解冰11对广东某大跨径波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥进行研究分析，结果表明该特大桥梁结构设计合理，波形钢腹板不会发生剪切破坏和剪切屈曲破坏。由上述研究可知，对于波形钢腹板PC组合箱梁结构横向内力的计算研究多集中于单箱单室或单箱双室结构形式，但对双肢并列的波形钢腹板PC组合箱梁新结构的研究还比较少。本文旨在采用试设计的三跨波形钢腹板预应力混凝土混合梁连续刚构桥实例，运用有限元分析软件ABAQUS分别建立单肢段和双肢段的局部节段模型，计算分析单肢段和双肢段波形钢腹板组合箱梁的横向应力，并进行对比分析。1有限元模型1.1节段模型简化本次试设计上部结构采用三跨波形钢腹板预应力混凝土混合梁连续刚构桥，跨径布置为：155 m+270 m+155 m。其主跨和边跨均采用变高度波形钢腹板箱梁，主墩采用混凝土双薄壁矩形空心结构。本文利用精细化有限元分析软件ABAQUS分别建立桥梁单肢段和双肢段横向实体有限元模型，并对桥梁在汽车满载和汽车偏载作用下的受力性能进行分析。根据最不利荷载原则，以后轴轴距的两倍长度2.8 m作为横向节段模型的纵桥向长度，分别选取主跨主梁节段5和节段10建立双肢段和单肢段模型三维模型，如图1所示。单肢段和双肢段横向节段模型的纵桥向长度为2.8 m。UHPC顶板宽度均为15.75 m，顶板为变厚度，中部厚度为350 mm，两侧厚度为300 mm，与波形钢腹板连接处顶板厚度为750 mm；波形钢腹板为变高度，单肢段平均高度为6.00 m，双肢段平均高度为9.66 m，上下两侧各均伸入顶底板150 mm；混凝土底板宽度均为9.5 m，底板为变厚度，单肢段平均厚度为460.7 mm，双肢段平均厚度为884.7 mm。1.2材料本构关系本次桥梁试设计规定的材料本构关系如下：梁体底板混凝土采用C60级混凝土，根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362201812，密度=2 400 kg/m3，弹性模量Ec=36 GPa，泊松比=0.2，抗拉强度标准值ftk=1.96 MPa，抗压强度标准值fck=26.5 MPa；梁体顶板混凝土采用 RPC 超高强度混凝土，根据 无腹筋预应力超高性能混凝土梁桥技术规范：T/GDHS 003202113，等级为 UHPC150，密度=2 500 kg/m3，弹性模量Ec=44.5 GPa，泊松比=0.2，抗拉强度标准值 ftk=5.00 MPa，抗压强度标准值 fck=72.5 MPa；波形钢腹板采用Q345级钢材，根据钢结构设计标准：GB 50017201714，密度=7 850 kg/m3，弹性模量Ec=206 GPa，泊松比=0.3，抗拉强度标准值ftk=295 MPa，抗压强度标准值fck=295 MPa。UHPC顶板的横向预应力钢束，预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线，公称直径s=15.24 mm，单束钢束截面面积为A=140 mm2。抗拉强度标准值fu=1 860 MPa，弹性模量 E=195 GPa。横向预应力钢束规格采用6-s15.24，单根长度为1 550 cm，布置间距为50 cm。