单箱多室波形钢腹板组合箱梁内衬混凝土布置方式研究.pdf
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1、单 箱多室波形钢腹板组合 箱梁内衬混凝土布置方式研究 邓文琴 , 张建东 , 刘朵 , 胡隽 7 7 单箱 多室波形钢腹板组合箱梁内衬混凝土布置方式研究 邓文琴 。 张建东 。 刘 朵。 , 胡 隽 ( 1 华 中科 技 大学土 木 工程 与力 学 学院 , 湖北 武 汉 4 3 0 0 7 4 ;2 东 南大 学土 木工 程 学院 , 江苏 南 京 2 1 0 0 9 6 ; 3 江苏 省交通 科 学研 究 院股份 有 限公 司, 江 苏 南京 2 1 1 1 1 2 ) 摘 要 : 为优化波形 钢腹 板内衬混凝土组合结构受力 , 以南 昌朝 阳大桥通航孔 桥单 箱多室波形钢腹板单索面多塔斜
2、 拉桥 为工程 背景 , 通过理论 计算 和有限元分析研究 了单箱 多室波形钢腹板组合箱梁 内衬混凝土 布置形式对 结构抗剪性 能的影 响。 结 果表明 : 有无设 置内衬混 凝土对单箱多室波形钢腹板 组合箱梁腹板剪应力水 平较高 的波 形钢腹板影 响较大 , 对腹板剪 应力 水平较 低的波形钢腹板影 响较 小 ; 内衬混凝土单侧设置 和双侧设置波形钢腹板 剪应力 的影 响相差不 大 ; 内衬 混凝土双侧设 置 及仅有 内衬混凝土无波形钢腹板设 置对 混凝土剪应力 的影 响相差 较小 ; 对单 箱多 室波形 钢腹板组 合箱梁 高剪应力 水平腹 板 内衬混凝 土可以考虑双侧布置或仅设置 混凝土
3、腹板 , 不 设置 波形 钢腹 板 ; 而剪应 力水 平较低 的腹 板则 考虑设 置单侧 内衬 混 凝 土。 关键词 : 斜拉桥 ; 波形钢腹板 ; 组合箱 梁; 内衬混凝土 ; 布置方式 ; 剪应 力 中图分 类号 : U4 8 8 2 1 6 ; U4 4 3 3 5 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 7 7 0 5 1 引 言 自世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥 法 国干邑桥 ( C o g n a c ) 建成 以来 , 因其 合理 的受 力性 能 、 优 良的经济效益 、 快速方便 的施工以及美观的外 形 ,
4、在 2 O世纪 8 O年代 出现后很快便得到 了广泛的 应用和推广 1 。我国波形钢腹板组合梁桥 的应用 起步较晚 , 但近年来发展迅速 , 目前已建和在建的桥 梁 达 6 0余 座l 4 。 近 年 来 , 随 着 工 程经 验 的不 断 累积 和设 计技 术 的逐步创新 , 波形钢腹板组合梁桥 已开始向大跨 、 复 杂桥型发展 。为适应宽桥面的交通需求 , 波形 钢腹 板组合梁桥往往采用单箱 多室截面形式。然而 , 对 于大跨波形钢腹板组合箱梁桥, 其中支点附近弯矩 和剪力均较大 , 约束条件及受力情况较 为复杂 。因 此 , 对于跨径较大或箱梁根部截面较高的波形钢腹 板组合箱梁桥 , 中
5、支点根部附近一般 采用内侧浇筑 混凝土的组合腹板结构 , 可避免根部混凝土与波形 钢腹板连接部位 因刚度突变导致 的应力集 中, 提高 了波形钢腹板的抗屈曲性能, 同时可有效地将腹板 作用力传递至下部结构 8 叫。 。 。目前 , 对于波形钢腹 板 内衬混 凝 土组 合 结 构 的设 计 尚没 有 明确 规 定 , 且 已有 波形 钢 腹板 组合 箱梁 桥 内衬混 凝土 的研 究 多局 限于单箱单室截面 , 国内已建 、 在建单箱单室波形钢 腹板组合箱梁桥仅在箱室 内侧设置内衬混凝土 , 而 针对单箱多室波形钢腹板组合箱梁内衬混凝土的研 究非常少L 1 。表 1列出 了国内几 座单 箱多室波
6、形钢腹板组合箱梁桥内衬混凝土 的设置方式及构造 尺 寸 。 由表 1可 知 , 国 内 已建 和在 建 的单 箱 多 室波 形 钢腹板组合箱梁桥 内衬混凝土的设置主要有 2 种形 式 , 一种为内、 外腹板均浇筑双侧混凝 土结构 , 另一 种为满足外形美观要求 , 其边腹板仅在 内侧浇筑混 凝土 , 而中腹板双侧均浇筑混凝土。本文以南 昌市 朝阳大桥为工程背景 , 研 究内衬混凝土的设置方式 对单箱多室波形钢腹板组合箱梁桥受力性能的影响。 2工 程概况 南 昌市朝 阳大桥位 于南 昌大桥与生米大桥之 间 , 距 上游 生 米 大桥 约 3 5 k m, 距 下 游 南 昌大 桥 约 2 5 k
7、 m。该桥 通 航 孑 L 道 主桥 为单 箱 多 室 波 形 钢 腹 板单索面多塔 斜拉桥 ( 见 图 1 ) , 跨径 布置为 ( 7 9 - F 5 1 5 0 +7 9 )I n , 总长 9 0 8 m。主梁采用单箱五室波 形钢腹板箱形截面, 等高双层布置, 梁高 4 7 m, 上 层顶 板宽 3 6 8 m, 布 置 双 向 8车 道 ; 下 层 为 非 机 动 车道 和人行 道 , 单 侧 净 宽 7 m。该 桥 波 形 钢 腹板 采 用 1 6 0 0型 , 6道 钢 腹 板 采 用 等 厚 设 计 , 跨 中截 面 厚 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 7 3 1 基金项
8、目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 4 7 8 1 0 7 ) ; 江苏省交通科研项 目( 2 O 1 4 Y 0 1 ) 作者简介 : 邓文琴( 1 9 9 1 一) , 女 , 博士生 。 2 0 1 2年毕业于华 东交通大学土木工程专 业 , 工学学 : t = ( E - ma i | : d e n g b u s t 1 6 3 c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 世 界 桥 梁 2 0 1 6 , 4 4 ( 2 ) 望 Q 璺 5X l 5 O 7 9 单位:m 图 1朝阳大桥 总体布置 1 8 mm, 支点附近腹板
9、厚 2 2 mm。在箱梁根部设置 长 5 7 3 I n的双侧内衬混凝土 , 其 中边腹板内衬混凝 土厚 6 5 c m, 中腹板 内衬混凝 土厚 5 0 c m( 见 图 2 ) 。 ( a )1 2 内衬混凝土段横截面 图 2 内衬混凝土节段 示意 3 钢混组合腹板等效剪切刚度计算 波形钢腹板 内衬混凝土组合腹板受剪力作用 , 在混凝 土开 裂前 , 钢 腹板 与 内衬 混凝 土组 合 构件 处 于 弹性 阶段 , 组合 腹 板 的剪 切 刚 度 为波 形 钢 腹 板 与 混凝土的刚度之和, 且假定钢腹板与混凝土完全连 接。混凝土开裂后, 组合构件刚度不断退化 , 且钢腹 板 与混凝 土界
10、 面 出现 滑移 处 于 不 完全 连 接状 态 , 该 阶段组合腹板刚度随荷载增加不断变化, 较为复杂。 因此 , 本文仅考虑弹性阶段组合腹板 的等效剪切刚度 。 波 形钢腹 板 与 内衬 混凝 土组合 腹板 剪力作 用模 型如图 3所示 , 钢混组合腹板在剪力 V作用下产生 剪切位 移 ) , 。 叫 霍 I 一一1_ 一 一 一 圈 3钢 混 组 合 腹 板 剪力 作 用 模 型 3 1 内衬混凝 土 弹性剪 切 刚度 内衬混凝 土 弹性剪 切 刚度 G 为 : G 一 (1 ) 式中, a 、 h为内衬混凝土长度和高度; t 。 为内衬混凝 土平均厚度; E 。 和 u 。 分别为混凝
11、土 弹性模 量和泊 松 比 。 3 2 波形钢腹板弹性剪切刚度 波形 钢腹 板 弹性 剪切 刚度 G 为 : 一 式中, t 为钢混组合腹板段波形钢板厚度; E 和 u 分别为钢板弹性模 量和泊松 比; 叼为波形钢板展开 长度与投影长度比值。 3 3 钢混组合腹板弹性剪切刚度 根据上 述 内衬混凝 土 和波形钢 腹板 得 出的剪 切 刚度 , 可知钢混组合腹板的弹性剪切刚度 G为: G = = = ( 3 ) 假定 波形钢 腹 板 与混 凝 土 完 全连 接 , 剪 力 通 过 应变协 调 由钢腹 板 和 内衬 混 凝 土 共 同承担 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c
12、 o m 单箱 多室 波形 钢腹板组合箱梁 内衬混凝 土布置方式研究 邓文琴 , 张建东 , 刘 朵 , 胡 隽 7 9 假足 钢 掘组 合腹 板 承受单 位 剪力 ( V一1 ), 则 : 。+ V = = =1 ( 4 ) 波形钢腹板产生的剪切变形 : y= : 内衬混凝土产生的剪切变形 : y一 一 y一 一 c ( 6 ) 故, 波形钢腹板与 内衬混凝土剪力分担比例为 : 一 1 畿 t 。 ( + 。) 。 4 钢混组合腹板抗剪分析 采 用有 限 元软 件建 立南 昌市 朝 阳大桥 最 大悬 臂 阶段有 限元 模 型 ( 见 图 4 ) 。混 凝 土 结 构采 用 实 体单 元 ,
13、钢横梁 、 波形钢腹板均采用板单元 , 预应力钢筋 及斜拉索采用 1 D单元进行模拟 。假设波形钢腹板 与混凝土顶 、 底板完全连接 , 内衬混凝土与波形钢腹 板也完全连接 , 不产生相对滑移或剪切破坏 。针对 内衬混凝土布置方式不 同, 分为 4种工况进行有限 元计算( 见表 2 ) 。 图 4 最大悬臂阶段有 限元模型 4种工况下钢混组合段各波形钢腹板沿桥梁纵 向剪应力值如图 5所示。 由图 5可知 , 内衬混凝土从无到单侧布置 , 对波 形钢腹板的剪应力值影响很 大, 而 内衬混凝 土由单 侧布置 改 为双侧布置 , 对波形钢腹板剪应力值影 响 4 0 3 0 皇 2 0 1 0 0 1
14、 0 臭 翱 表 2 内衬混凝土布置方式 一 内衬 混凝土 钢混组合腹板 内衬混凝土 J - 布最方式 截 面示 意图 平均厚度 c m 1 双侧 内衬 2 单侧 内衬 无 内衬 6 5 ( 外腹板) 5 0 ( 中腹板 ) 2 5 O 无 波 形 钢 腹 板 三 二 二 = = = = 二 二 : : 譬 蓑 ; 注 : 内衬混凝土平均厚度为波形钢腹板纵 向 中轴线 到内衬混凝 土 边缘 的厚度 。 较小。且内衬混凝土的布置形式对中钢腹板 和次中 钢腹板剪应力值影响较大, 对 边钢腹板剪应力值影 响不大 。由单箱多室单索面多塔斜拉桥结构受力特 点 可知 , 各腹 板剪 力 分 配 规律 为
15、中腹 板分 担剪 力 最 大 , 边腹板最小。从 图 5 ( c ) 中可以看 出, 边钢腹板 剪应力水平较低 , 一方面导致 了内衬混凝 土剪力分 担效应不是很明显 , 另一方面布置 内衬混凝 土增加 了结构的 自重, 从而增加了带 内衬混凝土钢腹板 的 剪应力值 , 说明对于单箱多室波形钢腹板组合箱梁, 内衬混凝土的设置形式对剪应力水平较低的钢腹板 剪应 力值 影 响很 小 。 出于 安 全 和经 济 性 考 虑 , 剪应 力水 平较 低 的腹板 建议 考虑 单侧设 置 内衬混 凝土 。 4种工况下钢混组合段各 内衬混凝土沿桥梁纵 向剪应力值如图 6所示 。 由图 6可知 , 中腹板内衬混
16、凝土单侧设置和双 侧设置对 内衬混凝土剪应力值影响较大 , 而 内衬混 凝土双侧设置和无波形钢腹板设置对内衬混凝土剪 应力影响较小 , 次 中腹板 和边腹板 内衬混凝土 的设 置形式对 内衬混凝 土剪应力影响均比较小 , 说明对 于单箱多室波形钢腹板组合箱梁, 内衬混凝土 的布 置形式对高剪应力水平的腹板内衬混凝土剪应力影 响较大 , 对低剪应力水平腹板 内衬混凝土剪应力影 ; ; 一一 一 一 一 一 一一一 纵向距离 m 纵向距离 m ( a )中腹板 ( b )次中腹板 +单侧内衬 +双侧 内衬 争一无内衬 +无波形钢腹板 注:纵坐标起点为内衬混凝土距墩顶支座中心线7 0 0 a m 处
17、。下同。 图 5波形钢 腹板沿桥梁纵向剪应力值 1 1 1 3 1 5 1 7 纵向距离 m ( c )边腹板 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 世 界 桥 梁 2 0 1 6, 4 4 ( 2) 莹 R 莹 纵 向距 离 m ( a )中内衬混凝土 单侧内衬 纵向距离 m ( b )次 中内衬混凝土 双侧内衬 一 无波形钢腹板 曼 纵 向距 离 珈 ( C )边 内衬混凝土 一 无 内衬 图 6 内衬混凝土沿桥梁纵 向剪应力值 响很小。因此 , 单箱多室波形钢腹板组合箱梁高剪 室波形钢腹板组合箱梁高剪应力水平腹板内衬混凝 应力 水平 腹板 内衬混 凝 土
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- 单箱多室 波形 腹板 组合 内衬 混凝土 布置 方式 研究
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