新型波形钢腹板曲线箱梁桥的荷载横向分布分析_齐振峰.pdf

公路 年月第期 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：新型波形钢腹板曲线箱梁桥的荷载横向分布分析齐振峰，胡世浩（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司上海市 ）摘要：为分析新型波形钢腹板曲线箱梁桥的荷载横向分布特性，以兰州市中川机场的一座新型波形钢腹板曲线箱梁桥为背景，采用有限元法对其荷载横向分布展开研究。首先，通过软件 建立该曲线梁桥有限元模型，模型的正确性已得到试验数值的验证；然后，分析了种参数对该曲线梁桥荷载横向分布的影响规律。结果表明，新型波形钢腹板曲线箱梁桥的有限元模型接近实际的桥梁结构；采用类型的横联，该桥荷载横向分布系数最小，采用类型、和的横联，其荷载横向分布系数相近，多方面考虑建议采用类型横向联系；对于不同类型的横联，横联间距为 和 下的荷载横向分布系数相近，考虑到曲线梁桥受力复杂，建议将横联间距控制在 以内；该桥荷载横向分布系数随桥梁跨径的增大而减小，且减幅较大。研究结果可为该类桥梁荷载横向分布的研究提供理论依据。关键词：波形钢腹板；曲线箱梁桥；荷载横向分布；软件；有限元分析相比普通混凝土箱梁桥，传统的波形钢腹板箱梁桥，如图所示，不仅减轻了结构自重，还避免了混凝土腹板开裂的问题。而新型波形钢腹板箱梁桥，如图所示，将传统波形钢腹板箱梁桥的混凝土底板换成钢底板，进一步减轻了自重，并有效解决了混凝土底板受拉区开裂的问题，。这种装配式结构缩短了施工周期，降低了施工难度，推进了装配式桥梁工业化建设的进度。图波形钢腹板 箱梁桥自 年起，境外就开始了对波形钢腹板箱梁桥的研究。截止目前，相关研究也主要集中在静力性能和动力特性方面。美国 图新型波形钢腹板箱梁桥规范关于桥梁荷载横向分布的计算，主要考虑了梁间距、跨径等方面的影响；聂建国等 建立了修正的刚接梁计算方法，给出了该计算方法的使用范围，并对比了几种方法的计算结果，与桥梁实测量值吻合良好；李立峰等基于有限元法，研究了不同数量的横向联系对钢混组合梁桥荷载横向分布的影响规律，并基于有限元结果，对几种计算方法的适用性进行了评价；闫林君等 采用了多种方法对装配式钢混组合梁桥荷载横向分布进行了计算分析，以有限元法为基础，拟合出该类桥梁荷载横向分布系数的计算公式。目前，有关波形钢腹板组合梁桥 年第期齐振峰胡世浩：新型波形钢腹板曲线箱梁桥的荷载横向分布分析荷载横向分布的研究相对较少，马磊等，采用刚性横梁法，推导出单箱多室波形钢腹板 组合箱梁荷载横向分布系数的计算公式，并通过试验验证了公式的正确性；马驰等 在考虑剪切变形的基础上，推导出了用于计算多梁式波形钢腹板组合小箱梁桥荷载横向分布系数的计算公式。目前，计算桥梁荷载横向分布系数的方法有杠杆原理法、刚性横梁法、铰接板（梁）法、刚接板（梁）法、比拟正交异性板法等。其中，有限元法是计算误差较小的方法。但根据上文论述，有关波形钢腹板组合梁桥的荷载横向分布研究很少，而对新型波形钢腹板箱梁桥的研究更是鲜见。所以，本研究以实桥为研究背景，采用有限元法，分析横联类型、横联间距和桥梁跨径对该桥荷载横向分布的影响规律，并给出合理建议，同时可为相关研究提供参考。工程背景兰州市景中高速公路项目首次采用新型波形钢腹板箱梁桥，作为交通运输部第一批个公路钢结构桥梁典型示范工程之一，已于 年月份实现通车。本研究的对象为中川机场 航站楼某段曲线梁桥，横截面构造如图所示，跨径为，曲率半径为 。如图所示，箱梁顶部和翼缘板部分采用压型钢板，起到模板的作用，进行力学分析时可以不予考虑。箱梁内部均匀布置间距约为 的横隔板。腹板和横隔板顶部均匀焊接剪力连接件，加强与混凝土顶板的连接效果。每个箱梁底板布置两道高 、厚 的纵向加劲肋。钢底板厚。波形钢腹板规格采用 型（），波高 ，腹板厚 。一个波折长度的腹板示意图如图所示。有关材料参数见表。单位：图横截面构造表材料参数材料弹性模量 重力密度（）混凝土 钢材 图波形钢腹板有限元模型 有限元模型本研究参考对象为兰州中川机场某双主梁式新型波形钢腹板曲线箱梁桥。为了更好地研究该桥荷载横向分布规律，采用 软件，建立四主梁式箱梁桥有限元模型，如图所示。有限元模型在柱坐标系下建立，沿主梁横向为，沿主梁纵向为（），沿 主 梁 高 度 方 向 为。采 用 实 体 单 元（）模拟桥梁混凝土结构，包括混凝土顶板、箱梁内混凝土端头板及箱梁间混凝土端头板等；采用壳单元（）模拟桥梁钢结构，包括钢底板、钢腹板、加劲肋、横隔板及箱间横联等。图有限元模型有限元模型支座约束情况为：曲线内侧至外侧主梁编号依次为号号，每片主梁每一端布置两个支座，支座轴线垂直道路中心线（结构中心线）。号主梁近端支座约束纵向位移和竖向位移，远端约束竖向位移。号和号主梁支座约束情况和号主梁相同。号主梁近端支座约束横向位移、纵向位移和竖向位移，远端约束横向位移和竖向位移。有限元模型不同单元类型连接位置处约束情况为：波形钢腹板和混凝土顶板连接处，实桥结构采用剪力连接件，加强两者的连接强度。进行力学分析时，可以理解为刚性连接，所以有限元模型在此位置布置刚性连接约束，模拟实际结构构造。建模方法验证作者在文献 中，以某四主梁式波形腹板钢箱混凝土组合梁桥为基础，建立了有限元模型，得到了该桥一阶弯曲自振频率。同时，通过现场试验，得到了桥梁的弯曲自振频率。对比有限元模型数值和试验值，一阶弯曲自振频率误差为 ，说明该建模方法能较好地还原实际桥梁结构，可以通过模型进行相关研究。曲线梁荷载横向分布分析 有限元法概述本研究以新型波形钢腹板曲线箱梁桥跨中位置挠度作为荷载横向分布系数的分析指标。首先分别在号号主梁跨中位置施加单位荷载，记录各主梁在相应荷载作用下跨中位置挠度值，得到荷载横向分布的影响线。然后根据文献 中规定的车辆，在影响线上进行最不利布置，得到各加载位置的影响线竖向值，并按照式（）计算得到桥梁荷载横向分布系数。（）式中：为主梁编号；为主梁数目；为第号主梁荷载横向分布系数；为按规定车辆加载后第号主梁影响线竖向值。箱间横联类型本研究建立了种横联类型的四主梁式新型波形钢腹板曲线箱梁桥有限元模型，跨径为 （沿结构中心线），曲率半径为 （结构中心线），箱间横向联系类型如图所示。横向联系的纵向位置和间距均相同。类型为实际桥梁结构采用的横联，另取种常见横向联系做对比，分析该曲线梁桥荷载横向分布规律。图箱间横联有 限 元 模 型 中 横 向 联 系 均 采 用 壳 单 元（），连接到两侧钢腹板上，不需考虑两者的连接方式，但需要保证单元与单元之间“共节点”。单位荷载分别作用在各主梁跨中位置时，四主梁式曲线梁桥的位移云图如图所示。类型类型横联下，四主梁式新型波形钢腹板曲线箱梁桥荷载横向分布系数如图所示。图中数据说明：类型（实桥结构）、类型和类型横联对该桥荷载横向分布的效果相近，种结构类型下的荷载横向分布系数最大相差 ，最小相差 ；类型横联对该桥荷载横向分布系数最小，相比实际桥梁所采用的横联，荷载横向分布系数最 公路 年第期 年第期齐振峰胡世浩：新型波形钢腹板曲线箱梁桥的荷载横向分布分析图有限元模型位移大相差 ，最小也相差 。类型横联结构相对复杂，钢板焊接效率低，实际受力效果并不理想，不是 最 优 选 择。综 合 考 虑，建 议 采 用 类 型横联。图荷载横向分布系数 箱间横联间距本研究建立种横联间距的四主梁式新型波形钢腹板曲线箱梁桥有限元模型，跨径为 （沿结构中心线），曲率半径为 （结构中心线），横联纵向间距分别为 、和 。类型类型横向联系下的有限元模型均按此标准建模。以类型横联为例，有限元模型如图所示。不同横向联系间距下，类型类型横联的四主梁式新型波形钢腹板曲线箱梁桥荷载横向分布系数如图 所示。图中数据说明，类型类型横联下具有相同的结论，即横联间距为 和 时，桥梁荷载横向分布系数相近；而将横联间距缩小至 时，荷载横向分布系数明显减小。图不同横联间距的有限元模型考虑到曲线梁桥受力复杂，竖向荷载不仅引起桥梁的竖向弯曲，还伴随扭转现象，即存在弯扭耦合现象，所以建议将横向联系间距控制在 以下。特别是在曲率半径较小的情况下，应根据实际需求，进一步调整横联间距。桥梁跨径建立了种桥梁跨径的四主梁式新型波形钢腹板曲线箱梁桥有限元模型，曲率半径为 （结构中心 线），箱 间 横 联 采 用 类 型，横 联 间 距 均 为 ，箱内横隔板间距等结构参数均相同。桥梁跨径分别取、和。不同桥梁跨径下，四主梁式新型波形钢腹板曲线箱梁桥荷载横向分布系数如图 所示。图中数据说明，该曲线梁桥荷载横向分布系数随桥梁跨径的增大而减小。桥梁跨径从 增加到 时，荷载横向分布系数最小减幅为 ，最大减幅为 ；桥梁跨径从 增加到 时，荷载横向分布系数最小减幅为 ，最大减幅为 。由此说明，桥梁跨径是影响新型波形钢腹板曲线箱梁桥荷载横向分布系数的重要参数。结语（）本研究建立有限元模型方法的正确性已得到了验证，建模方法可作为参考依据。（）类型、类型和类型横联下，该曲线梁桥的荷载横向分布系数相近，横联横联下的荷载横向分布系数出现明显减小。综合考虑，建议实际桥梁结构采用类型横联。图 不同横联间距下的荷载横向分布系数图 不同跨径下的荷载横向分布系数（）考虑到新型波形钢腹板曲线箱梁受力复杂，建议将其横向联系间距控制在 以下，可结合实际需求做出相应调整。（）新型波形钢腹板曲线箱梁桥荷载横向分布系数随主梁跨径的增大而减小，且减幅较大。参考文献：，：王春生，王晓平，朱经纬，等波形钢腹板管翼缘组合梁抗弯性能试验研究桥梁建设，（）：王力，刘世忠，虞庐松，等新型波形钢腹板组合箱梁等效阻尼比计算方法桥梁建设，（）：李宏江波形钢腹板 组合箱梁几个特殊问题研究进展应用基础与工程科学学报，（）：，：，（）：冀伟，马建红 变截面波形钢腹板弹性整体屈曲计算及几何 参 数 分 析 湖 南 大 学 学 报：自 然 科 学 版，（）：李立峰，程子涵，冯威，等不等横向联结系对钢 公路 年第期 年第期齐振峰胡世浩：新型波形钢腹板曲线箱梁桥的荷载横向分布分析混组合梁桥荷载横向分布的影响研究 铁道科学与工程学报，（）：聂建国，张晓光，樊健生，等 钢混凝土组合梁加宽混凝土梁桥的横向分布系数 清华大学学报：自然科学版，（）：闫林君，张经伟，罗奎 装配式多主梁钢混组合梁桥的荷载横向分布研究公路交通科技，（）：马磊，万水，蒋正文，等 单箱多室波形钢腹板箱梁荷载横向分布东南大学学报：自然科学版，（）：马磊，章勇，万水，等 单箱多室波形钢腹板 组合箱梁荷载横向分布长安大学学报：自然科学版，（）：马驰，刘世忠 考虑剪切变形的多梁式改进型波形钢腹板组合小箱梁桥荷载横向分布系数计算华南理工 大 学 学 报：自 然 科 学 版，（）：范立础 桥梁工程 北京：人民交通出版社，胡世浩 波形腹板钢箱混凝土组合梁桥的动力特性与荷载横向分布研究兰州交通大学，公路桥涵设计通用规范 ，（），）：，：；