波形鋼腹板箱梁橋設(shè)計驗算方法介紹
2010-07-22
波形鋼腹板箱梁在國外的應(yīng)用已比較廣泛，尤其是日本和法國。我國對這類結(jié)構(gòu)的研究還處于起步階段，設(shè)計理論和設(shè)計方法都不成熟，還沒有成熟的設(shè)計驗算方法。將波形鋼腹板應(yīng)用于實橋的工程很少，目前僅有河南光山縣的潑河大橋、江蘇淮安的長征橋、重慶大堰河橋、寧波甬新河橋。
為推廣這類結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用，參考國內(nèi)外已有的設(shè)計、驗算資料，對波形鋼腹板箱梁橋在設(shè)計過程中需要驗算的部位、內(nèi)容和方法進(jìn)行介紹，為工程設(shè)計人員提供參考和借鑒。
1.結(jié)構(gòu)驗算內(nèi)容與方法
1.1 驗算對象與內(nèi)容 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的上部結(jié)構(gòu)由混凝土橋面板和波形鋼腹板組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特性，彎矩和軸向力由混凝土橋面板承受，剪力由波形鋼腹板承受，扭矩由兩者共同承受。
在波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的設(shè)計中需要對安全性和使用性等性能進(jìn)行驗算分析，以保證結(jié)構(gòu)的可靠性。驗算的主要位置有：①梁結(jié)構(gòu)在順橋方向的驗算，即對結(jié)構(gòu)彎曲狀態(tài)下的安全性驗算；②波形鋼腹板剪切驗算；③鋼和混凝土結(jié)合部驗算；④混凝土橋面板的驗算。對于波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)，鋼腹板的剪切失穩(wěn)和鋼混結(jié)合部的抗剪能力是研究得主要對象。另外，基本驗算項目為彎曲和剪切。
在使用性能驗算中，由于公路橋梁恒載比例大，結(jié)構(gòu)剛度大，行車、噪音、振動對結(jié)構(gòu)影響很小，可以忽略。但是波形鋼腹板和混凝土橋面板的結(jié)合部在使用極限狀態(tài)下產(chǎn)生錯位會影響結(jié)構(gòu)變形，需要對結(jié)合部在行車狀況下進(jìn)行驗算。
本文著重介紹結(jié)構(gòu)達(dá)到安全性要求的設(shè)計驗算過程、驗算方法、驗算指標(biāo)，具體參見表1，并介紹波形鋼腹板剪切驗算方法。
1.2 驗算方法
1.2.1 安全性驗算 結(jié)構(gòu)在滿足安全性能的條件下需要進(jìn)行如表1的驗算。對于公路橋梁，由于活載引起的振動、疲勞較小，基本上可以忽略這些因素，但是當(dāng)波形鋼腹板之間采用新的焊接構(gòu)造時，需要另行單獨驗算安全性。
波形鋼腹板在橋軸向呈褶皺形狀，已有研究表明軸向等效彈性模量是鋼材實際彈性模量的幾百分之，腹板基本上不能抵抗軸向力，抗彎設(shè)計時可以不考慮它的作用，只計入上、下混凝土翼板，波形鋼腹板箱梁橋的彎曲計算。
波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)的抗扭剛度相比混凝土腹板箱梁橋要小，但是可以通過增加橫隔板來克服這一缺陷，而且已有研究證實效果很明顯[2-4]。
在對橋面板進(jìn)行設(shè)計驗算時，可以根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》4.1條中板的設(shè)計彎矩進(jìn)行設(shè)計驗算。由于波形鋼腹板橋因腹板剛度比混凝土腹板橋要小，所以支承條件難以和混凝土腹板橋一樣。根據(jù)本谷橋的設(shè)計研究表明，將簡支板彎矩的90%作為設(shè)計彎矩可以滿足結(jié)構(gòu)的安全性需要[3，11]。
波形鋼板的主要優(yōu)勢在于它的抗剪切屈曲能力，與傳統(tǒng)的平腹板相比，波形鋼板的抗剪能力有很大的提高。在波形鋼腹板箱梁橋這種組合結(jié)構(gòu)中，梁的抗剪能力一般由波形鋼腹板的剪切失穩(wěn)控制，因此對波形鋼板剪切失穩(wěn)的驗算是設(shè)計過程中的一個重點。研究表明波形腹板的失穩(wěn)模式有局部失穩(wěn)、整體失穩(wěn)和耦合失穩(wěn)三種[2，3，11]，下面給出三種屈曲形式的臨界剪應(yīng)力計算方法[1，3，11]：
(1)局部剪切失穩(wěn) 局部失穩(wěn)是指波形鋼腹板在前后轉(zhuǎn)折位置之間的平面鋼板的失穩(wěn)，彈性失穩(wěn)強(qiáng)度用τecr，L表示，計算按簡支鋼板失穩(wěn)強(qiáng)度計算。
(2)整體剪切失穩(wěn) 整體失穩(wěn)是指上下橋面板之間波形鋼腹板整體發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，Easley將波形鋼板的全部折板作為正交各向異性板。
(3)耦合剪切失穩(wěn) 耦合失穩(wěn)強(qiáng)度。
2.2.2安全系數(shù) 各驗算項目的極限狀態(tài)安全系數(shù)
①活載為主要變化荷載時的荷載修正系數(shù)為1.65
②材料系數(shù)
γc：混凝土材料系數(shù)；γr：鋼筋材料系數(shù)；γs：鋼材材料系數(shù)
③用于按混凝土強(qiáng)確定抗剪強(qiáng)度的計算
④用于按鋼材強(qiáng)度確定抗剪強(qiáng)度的計算
2.結(jié)論
本文主要介紹了波形鋼腹板箱梁橋設(shè)計驗算對象和方法，可為工程設(shè)計人員提供參考和借鑒。
隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施，波形鋼腹板的施工方便且美觀的優(yōu)點很適合西部多山區(qū)的狀況；并且隨著我國鋼產(chǎn)量的增加、波形鋼腹板制作工藝的成熟以及理論研究工作的深入，波形鋼腹板橋在我國會獲得廣泛的應(yīng)用。
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