波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析_任红伟.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析_任红伟.精品文档.波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析_任红伟 第25卷?第8期 2008年7月?公?路?交?通?科?技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentVol?25?No?8?Aug?2008 文章编号:1002?0268(2008)08?0092?05 波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析 任红伟,陈海波,宋建永 (交通部公路科学研究院,北京?100088) 摘要:针对目前国内跨度最大的波纹钢腹板预应力组合箱梁桥?

2、三道河中桥,对其箱梁主体、波纹钢腹板、剪力连接键及预应力布置等方面的设计及构造细节进行了介绍;并采用ANSYS建立了其空间有限元模型,参照现行的桥梁设计规范对其设计计算过程中的截面受力、波纹钢腹板的受力、剪力连接键的抗剪能力以及主梁变形等关键性问题进行了详细的阐述。计算结果表明,在正常使用极限状态下,混凝土顶底板的应力、波纹钢腹板剪应力及主梁挠度满足要求,且波纹钢腹板不会在其发生剪切屈服之前而发生局部屈曲、整体屈曲或合成屈曲破坏;在承载能力极限状态下,主梁承载能力满足要求;剪力连接键的抗剪能力满足要求且具有较大的安全储备。可为今后波纹钢腹板预应力组合梁桥的设计计算提供参考。 关键词:桥梁工程;

3、组合箱梁;设计计算;有限元;波纹钢腹板 中图分类号:U448?21+6?文献标识码:A DesignandCalculationAnalysisofPrestressedComposite BoxGirderBridgewithCorrugatedSteelWebs RENHong?wei,CHENHai?bo,SONGJian?yong (ResearchInstituteofHighway,MinistryofCommunications,Beijing?100088,China) Abstract:SandaoheBridgeisthelongestspanprestressedcomp

4、ositeboxgirderbridgewithcorrugatedsteelwebsinChina?Thedetaileddesignconfigurationofboxgirder,corrugatedsteelwebs,shearconnectingbondandprestressarrangementwereintroduced?AspatialcalculationmodelofthebridgewasbuiltbyANSYS;andthecalculationoftheultimatebendingmomentofsections,corrugatedsteelweb?sstres

5、ses,shearcapacityofconnectingbondandboxgirderdeformationwereexpatiatedaccordingtotheapplicablebridgedesigncode?Theresultsofthecalculationindicatethat,underthelimitstateofregularservice,thestressesofconcreteupperandbottomplates,theshearstressesofcorrugatedsteelwebsandboxgirderdeflectionsatisfiestheco

6、de?srequirement,andthelocalbuckling,integralbucklingandsynthesisbucklingwouldnothappenbeforeshearyieldofcorrugatedsteelwebs;underthelimitstateofbearingcapacity,thebearingcapacityofboxgirdersatisfiesthecode?srequirement;shearcapacityofconnectingbondinthisbridgesatisfiesthecode?srequirementandholdmore

7、safetycapacity?Itcanprovideareferencefordesignandcalculationanalysisofprestressedcompositeboxgirderbridgewithcorrugatedsteelwebsinthefuture? Keywords:bridgeengineering;boxgirder;designcalculation;finiteelement;corrugatedsteelweb 0?引言 波纹钢腹板预应力组合箱梁是由混凝土顶底板、 收稿日期:2007?11?14 基金项目:交通部西部交通建设科技资助项目(2004318

8、22315) 作者简介:任红伟(1967-),男,山西武乡人,博士研究生,副研究员,研究方向为钢?混凝土组合结构和公路旧桥承载力评定?(hw?renrioh?cn)体外预应力筋和波纹钢腹板三者构成的组合结构。与传统的混凝土腹板箱梁相比,波纹钢腹板预应力组合箱梁可以减轻自重,提高预应力的效率和减少预应1 第8期?任红伟,等:波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析?93 力钢材用量,波纹钢腹板对上、下缘混凝土的徐变、干燥收缩变形不起约束作用,体外预应力束可以替换,有利于桥梁的维修与补强,并且整座桥梁具有较强的美感。正因为波纹钢腹板预应力组合箱梁具有以上优点,自法国于1986年建成世界上第一座该类

9、箱梁桥?Cognac桥以来,这种结构形式得到了越来越广泛的应用,尤其是在日本和法国,目前世界上 8 已建成四十余座该类型桥梁。由于我国对波纹钢腹板预应力组合箱梁的研究起步较晚,目前在我国仅有少量的工程实例且设计理论还不十分完善 914 27 设置9道横隔板,包括7道转向块,转向块都扩大到连接上下混凝土板,加强与上下混凝土板的连接,对增强桥梁的抗扭起到很大的作用,1?2m厚的端横隔板作为预应力索的锚固区,与转向块一起把预应力传递到整个桥上。主梁纵、横断面分别如图2、图3所示。 。本文 图2?箱梁纵断面图(单位:cm) Fig?2?Longitudinalprofileofboxgirder(un

10、it:cm) 针对三道河中桥设计计算过程中的截面受力、波纹钢腹板的受力、剪力连接键的抗剪能力以及主梁变形等关键性问题进行介绍,从而为今后波纹钢腹板预应力组合梁的设计计算提供参考。1?工程概况 三道河中桥的上部结构形式采用单箱双室波纹钢腹板预应力简支组合梁结构,跨径50m,梁高2?5m。顶底板采用C50混凝土,腹板采用12mm厚的波纹钢腹板结构,工厂分段轧制现场拼接,并整体浇注上下混凝土板。波纹钢腹板采用摩擦型高强度螺栓并配合角焊缝的连接方式。下部采用钻孔灌注桩基础,每个承台下为4根?150cm钻孔桩,桩间距为4?0(5?5)m,桩长20m。肋式桥台,桥台顶竖向设盆式橡胶支座,横向设挡块。设计荷

11、载等级为:公路?级,抗震设防烈度为?度。三道河中桥的桥型布置如图1 所示。 图3?箱梁一般横断面(单位:cm)Fig?3?Generalcross?sectionofboxgirder(unit:cm) 2?2?波纹钢腹板的设计 三道河中桥波纹钢腹板的几何尺寸如图4所示,采用直板段与斜板段同宽,波高与直板段的比为0?51,钢腹板厚度与波高的比为0?055,截面高度与波高比为11?36。钢材按GB50017?2003取用,材料为Q345C,其性能必须符合规范要求。波纹钢板可在工厂中冷轧成型,严格控制弯折角度和波长。腹板在加工、预拼和安装完成后,应及时清除刺屑、焊渣、飞溅物及油污等,并对其进行严格

12、的防腐处理,进行浸 3 锌防护,并且?350g?cm,施工后在外表面再涂一层桔红色面漆。 图4?波纹腹板波形尺寸图(单位:mm) 图1?三道河中桥的桥型布置(单位:cm)Fig?1?LayoutofSandaoheBridge(unit:cm) Fig?4?Detaildimensionofcorrugatedsteelweb(unit:mm) 2?3?波纹钢腹板与混凝土顶底板的剪力连接键设计波纹钢腹板同混凝土顶、底板的结合部直接关系到整个桥梁的承载,是设计该类桥梁中非常关键的环节,目前主要有腹板上下端焊接翼缘板并配置连接件的翼缘型和把腹板直接伸入到混凝土板中的嵌入型两种连接方式。三道河中桥偏

13、于安全地选用了组合型连接的方式,即焊钉连接件和开孔钢板连接件的组合,如图5T2?三道河中桥的结构设计 2?1?主梁结构设计 主梁采用单箱双室波纹钢腹板预应力简支组合梁结构。梁顶板宽12m,厚0?3m;底板宽2?5m,厚0?25m;梁高2?5m;钢腹板的向外倾角为70?,与混 凝土连接处局部加强。高跨比为1?20。在主梁纵向 94?公?路?交?通?科?技?第25卷 接正焊双面连接焊接, 焊缝应采用对接和角接的自动或全溶透焊接,严禁有漏焊部位。2?4?预应力筋的设计 三道河中桥的预应力分为体内预应力和体外预应力两种体系,其设计理念主要是考虑体内预应力主要承受恒载,体外预应力主要承担桥梁运营过程中的

14、活载,以方便以后的换索或重新张拉预应力钢绞线。内 图5?三道河中桥的剪力连接键Fig?5?ShearconnectingbondsofSandaoheBridge 外预应力的设置比例和方案根据详细的有限元分析来 确定,其具体布置如图6 所示。 图6?预应力束布置图(单位:cm)Fig?6?Arrangementofprestressedbars(unit:cm) 3?三道河中桥的计算分析 由于波纹钢腹板预应力组合箱梁是新型的组合结 构,结构形式比较复杂,目前没有专门的设计规范,因此在设计中结合其自身的结构特点,参照现行的桥梁设计规范,采用通用有限元软件ANSYS对其进行设计计算。 3?1?有限

15、元模型的建立 按照三道河中桥的具体构造,采用基于ANSYS的波纹钢腹板组合梁桥计算模块CBCW对此结构建立有限元模型,分别采用solid45单元创建混凝土顶底板、加劲肋和锚固端混凝土实体段,采用shell63单元创建波纹钢腹板和上下翼缘连接钢板,采用link8单元模拟体内和体外预应力钢筋。创建后的有限元模型如图7 所示。 图8?跨中节段应力分布图(单位:?107Pa)Fig?8?Stressdiagramatmid?span(unit:?107Pa) 对于C50混凝土,其抗压强度设计值为:fc=22?4MPa,由此可见混凝土顶底板的应力满足要求。 (2)截面承载能力验算 由于波纹钢腹板纵向抗弯

16、刚度较小,因而可以近似认为不抵抗弯矩,即弯矩仅由上、下混凝土板断面的抗弯刚度来抵抗。在进行截面承载能力验算时,可以不考虑波纹钢腹板的贡献。三道河中桥正截面承载能力极限状态的验算如下: 由于桥梁为简支结构,仅验算跨中截面。按承载能力极限状态进行计算,考虑恒载和公路I级荷载按规范JTGD60?2004进行效应组合,此时弯矩设计值= 图7?有限元模型Fig?7?FEMmodel 132244?3kN?m。 跨中截面配置28根13X?15?24的钢绞线和74根?22HRB335普通钢筋。则其截面抗力矩=148935kN?m>弯矩设计值=132244?3kN?m。 综上所述,截面承载能力满足要求。

17、3?3?波纹钢腹板的强度验算 波纹钢腹板在剪力作用下,会发生剪切破坏或剪j 3?2?截面受力验算 (1)截面应力验算 对三道河中桥进行有限元分析,在正常使用极限 状态下,跨中截面处混凝土顶底板处于受压状态,其应力分别为17?0MPa和7?67MPa,该截面处应力图 第8期?任红伟,等:波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析?95 对于三道河中桥来说,在正常使用极限状态下,腹板的最大剪应力为72MPa,发生在波纹钢腹板露出梁端混凝土实体段的区域,计算结果如图9 所示。 状态,对于混凝土受压状态下的栓钉连接件,偏于安全地按我国?钢结构设计规范?(GB50017?2003)规定来计算: Nv=0?

18、43As e Ecfc?0?7As?f,(5) 式中,As为栓钉杆的截面面积;Ec为混凝土的弹性模量;fc为混凝土抗压强度设计值;f为栓钉抗拉强度设计值;?为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服值之比。 -426 此时:As=3?80?10m,Ec=3?45?10MPa,fc=22?4MPa,f=500MPa,?=1?496。 由式(5)得: 图9?支点附近腹板剪应力(单位:?107Pa)Fig?9?Shearstressdiagraminwebs(unit:?107Pa) Nv=0?43As c Ecfc=143?6kN?0?7As?f=198?9kN。 (6) (1)剪切强度验算 由规范可知,根据

19、Mises屈服准则,抗剪屈服强度如下: ?y=fy0?58fy=0?58?315=181?9MPa,(1)正常使用极限状态下钢腹板的剪应力小于其屈服强度,保证波纹腹板组合梁不发生剪切强度破坏。 (2)剪切屈曲强度验算 波纹钢腹板的局部屈曲有局部剪切屈曲、整体剪切屈曲及合成屈曲,可采用如下的公式进行计算局部屈曲强度: 2 ?cr?l=4?83E(tw?b)=1135?5MPa,整体屈曲强度: ?cr?g=36(DxDz)?(hwtw)=13160MPa,合成屈曲强度: ?cr= ?cr?l?cr?g =1045?3MPa。 cr?l+?cr?g (4) 3 1?4 2 15 由计算可知,波纹钢腹

20、板与混凝土顶底板的剪力 连接键抗剪能力满足要求,且具有较大的安全储备。3?5?主梁变形验算 根据规范JTGD60?2004,应对正常使用极限状态下的挠度值进行验算,其挠度值按短期荷载效应组合计算,并考虑挠度长期影响系数?(对C50混凝土,?=1?425)。根据有限元计算的结果,荷载短期效应组合作用下跨中的挠度值为: fsd=fGK+fQ1K+fQiK= 0?134+0?018+0?009=0?161m(向下), (7) 自重在跨中产生的挠度值为: fG=fG1K+fG2K=0?078+0?056=0?134m(向下)。(8) 消除自重产生的挠度,并考虑挠度长期影响系数后,使用阶段长期挠度值为:

21、 fl=?(fsd-fG)=1?425?(0?161-0?134)= 0?038m<=0?083m。 600 足规范要求。4?结论 本文采用ANSYS建立了三道河中桥的空间有限元模型,参照现行的桥梁设计规范对其进行了设计计算,通过计算得出如下结论: (1)在正常使用极限状态下,混凝土顶底板的应力、波纹钢腹板剪应力及主梁挠度满足要求,且波纹钢腹板不会在其发生剪切屈服之前而发生局部屈曲、整体屈曲或合成屈曲破坏。 (2)在承载能力极限状态下,主梁承载能力满足要求。 (9) :(2)(3) 由上述计算可知,局部、整体及合成屈曲强度远大于其剪切屈服强度,因此,波纹钢腹板不会在其发生剪切屈服之前而发

22、生局部屈曲、整体屈曲或合成屈曲破坏。 3?4?波纹钢腹板与混凝土顶底板的剪力连接键抗剪能力验算 本桥在波纹钢腹板的上下端部焊接倒T形钢板,在倒T形钢板上方每隔一定距离开孔,孔中贯穿普通钢筋,同时在倒T形钢板两侧焊连接栓钉,使之成为整体受力骨架,埋入混凝土顶底板内的贯穿钢筋和所开孔中的混凝土销以及栓钉共同参与抗剪。偏于安全考虑,在计算中不计入实际上参与抗剪的贯穿钢筋和混凝土销的抗剪作用,即将其视为一种安全储备。现假使所有剪力由栓钉来承受,计算抗剪连接键的抗剪计算结果表明,正常使用极限状态下的挠度值满 96?公?路?交?通?科?技?第25卷 22(Sup?):53-56? 8?陈宝春,黄卿维?波形

23、钢腹板PC箱梁桥应用综述J? 公路,2005(7):45-53? ?CHENBao?chun,HUANGQing?wei?ASummaryofApplica-tionofPrestressedConcreteBoxGirderBridgeswithCorrugatedSteelWebsJ?Highway,2005(7):45-53? 9?孟文节?波形钢腹板PC组合连续箱梁桥的结构设计与 有限元分析D?南京:东南大学,2006? ?MENGWen?jie?StructureDesignandFiniteElementAnalysis ofthePrestressedContinuousConcr

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26、ionofthe PCBox?girderwiththeCorrugatedSteelWebsofPoheBridgeJ?JournalofHeilongjiangInstituteofTechnology,2006,20(2):19-22? 13 高原?波形钢腹板PC组合箱梁的研究和设计D?重庆:重庆交通大学,2005? ?GAOYuan?ResearchandDesignofthePrestressedConcrete BoxGirderwithCorrugatedSteelWebsD?Chongqing:ChongqingJiaotongUniversity,2005? 14 宋建永,任

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28、术的研 究提供了很好的平台,本文的计算方法及过程可为今后波纹钢腹板预应力组合梁桥的设计计算提供参考。同时,今后应该加大对波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的研究力度,从根本上了解这一类桥的受力性能,从而完善其设计理论,促进其在我国的应用。 参考文献:References: 1?宋建永,王彤,张树仁?波纹钢腹板体外预应力混凝 土组合梁桥J?东北公路,2002,25(1):38-40?SONGJian?yong,WANGTong,ZHANGShu?ren?Extracorporeal PrestressedConcreteCompositeBridgewithCorrugatedSteelWebJ?Nor

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30、腹板预应力结合箱梁结构特 点的探讨J?桥梁建设,1994(1):26-30? ?CAIQian?dian,RANYi?yuan?DiscussiononConfigurationChar-acteristicofPrestressedCompositeBox?girderwithCorrugatedSteelWebsJ?BridgeConstruction,1994(1):26-30? 5?周一桥,钱建漳?折叠形钢腹板预应力混凝土箱梁 J?国外桥梁,2000(2):46-51? ?ZHOUYi?qiao,QIANJian?zhang?PrestressedCompositeBox? girde

31、rwithCorrugatedSteelWebsJ?ForeignBridges,2000(2):46-51? 6?刘磊,钱冬生?波形钢腹板预应力结合梁桥J?国 外公路,1999,19(1):26-30? ?LIULei,QIANDong?sheng?PrestressedCompositeBox?girder BridgewithCorrugatedSteelWebsJ?JournalofForeignHighway,1999,19(1):26-30? 7?刘磊,钱冬生?波形钢腹板的受力行为J?铁道学 报,2002,22(增):53-56? ?LIULei,QIANDong?sheng?BehaviorsofCorrugatedSteelWebs UnderLoadingJ?JournaloftheChinaRailwaySociety,2002,