波形钢腹板箱梁桥屈曲稳定性研究

陈锋

（湖南华罡规划设计研究院有限公司，湖南长沙 410076）

波形钢腹板箱梁桥屈曲稳定性研究

陈锋

（湖南华罡规划设计研究院有限公司，湖南长沙 410076）

以湖南岳阳汨罗江大桥为工程背景，使用ANSYS有限元软件对波形钢腹板箱梁桥进行屈曲分析，并在汨罗江大桥原始模型基础上改变波形钢腹板几何参数（波纹板长、折叠角度），分析波形钢腹板组合桥梁在自重和单位偏载作用下的屈曲模态、屈曲荷载系数和南北侧波纹板顶端位移差。结果表明，波形钢腹板板长l为0.2～0.5m时，屈曲稳定性先增强后转弱，板长0.3m组合结构最稳定；波形钢腹板折叠角α为20°～50°时，屈曲稳定性先增强后转弱，折叠角30°组合结构最稳定；并验证了汨罗江大桥的设计参数为最佳值。

桥梁；波形钢腹板；组合箱梁；屈曲荷载系数；钢腹板长；折叠角

波形钢腹板箱梁桥是由不同类型连接件将砼顶底板与波形钢腹板组合而成的一种新型桥梁结构体系，它以8～20mm厚钢腹板代替传统砼腹板，自重显著降低，强度得以提高，因而在欧美等地区应用广泛。波形钢腹板预应力箱梁中的波形钢腹板处于纯剪受力状态，波形钢腹板的抗剪承载力由截面的剪切屈曲强度控制。该文以湖南岳阳汨罗江大桥为工程背景，使用ANSYS有限元软件对波形钢腹板箱梁桥进行屈曲分析，并在汨罗江大桥原始模型基础上改变波形钢腹板几何参数（波纹板长、折叠角度），分析组合桥梁在正常使用极限状态下内外侧波纹板顶端位移差，并得出屈曲荷载系数。

1　工程背景

汨罗江大桥总长76.16m，跨径布置为20m+ 30m+20m。该桥上部结构采用单箱单室波形腹板箱形截面，截面横断面尺寸见图1。箱梁高220 cm；底板宽650cm、厚24cm；箱顶板全宽1250 cm，两侧悬臂长300cm，箱内顶板厚28cm，悬臂板端部长150cm、厚25cm，悬臂板根部厚50cm。腹板采用波形钢板（见图2），波形钢板厚t为1.2cm，板长a为30cm，波纹深h为15cm，折叠角α为30°，波形钢板斜板在水平面投影长b=153cm。

2　有限元模型

采用ANSYS建立有限元模型进行屈曲稳定性分析。采用3D实体单元Solid45模拟波形钢腹板顶、底板砼，采用壳单元Shell63模拟波形钢腹板。考虑到汨罗江大桥采用刚性连接件，计算中认为波形钢腹板与顶、底板砼处于完全组合状态，有限元模型中以约束方程模拟砼与波形钢腹板的连接状态。该模型边界条件设置如下：固定支座处约束UX、UY、UZ、RXY、RXZ、RYZ；双向活动支座处约束UY；单向活动支座处约束UY、UZ、ROTX或UX、UY、ROTZ。砼弹性模量Ec=3.55×104MPa，泊松比υ=0.3；钢板弹性模量Es=2.1×105MPa，泊松比υ=0.3。

图1　汨罗江大桥桥梁总体布置（单位：标高为m，其他为cm）

图2　汨罗江大桥波形钢腹板截面示意图（单位：cm）

3　屈曲稳定性分析

3.1弹性屈曲分析

由于波形钢腹板箱梁的抗扭刚度比普通砼腹板箱梁低，其屈曲性能成为工程人员关注的重点。在汨罗江大桥中跨跨中段靠北侧波形钢腹板位置施加偏载，研究自重和偏载作用下波形钢腹板箱梁桥的屈曲行为，得出相应的荷载屈曲系数和南北侧波形钢腹板位置处位移差。屈曲计算采用子空间迭代法求解，计算中考虑4阶屈曲模态，给出汨罗江大桥在上述荷载作用下的前4阶屈曲荷载系数和相应的失稳模态（见表1）。

表1　汨罗江大桥在自重和单位偏载作用下的屈曲荷载系数

波形钢腹板屈曲主要以局部屈曲形式、整体屈曲形式和合成屈曲形式出现在中跨跨中段偏载一侧。由表1可知：汨罗江大桥在荷载作用下3种屈曲模式同时出现，表明局部屈曲并不局限于相邻波形钢腹板之间，因为波形钢腹板沿桥梁纵轴线折线连续，某一钢腹板的变形会牵动相邻腹板的变形。

3.2波形钢腹板几何参数分析

一般波纹钢腹板参数满足以下关系：b=a× cosα，h=asinα。独立变量为a和α。保持汨罗江大桥原始设计参数不变，变化折叠角数值（a=0.3 m不变，α=20°～50°）或变化波纹板长数值（α=30°不变，a=0.2～0.5m），研究波形钢腹板几何参数对该组合桥梁屈曲性能的影响。

3.2.1钢腹板长度对屈曲性能的影响

仅改变波形钢腹板长度时，组合结构桥梁的屈曲荷载系数和南北侧位移差见表2和图3～4。

表2　钢腹板长度对屈曲性能的影响

图3　不同钢腹板长度时屈曲荷载系数的变化

图4　不同钢腹板长度时南北侧位移差的变化

由表2、图3～4可知：改变钢腹板长度时，屈曲荷载系数随着钢腹板长度的增加先增大后减小，长度0.5m时屈曲荷载系数略微增大，长度取0.3m时屈曲荷载系数达到最大值；南北侧位移差随着钢腹板长度的增加先减小后增大，长度0.5m时南北侧位移差略微减小，长度取0.3m时南北侧位移差达到最小值。

3.2.2折叠角度对屈曲性能的影响

仅改变折叠角度时，组合结构桥梁的屈曲荷载系数和南北侧位移差见表3、图5～6。

表3　折叠角度对屈曲性能的影响

图5　不同折叠角度时屈曲荷载系数的变化

由表3、图5～6可知：改变折叠角度时，屈曲荷载系数随着折叠角度的增加先增大后减小，折叠角取30°时屈曲荷载系数达到最大值；南北侧位移差随着折叠角度的增加先减小后增大，折叠角取30°时南北侧位移差达到最小值。

图6　不同折叠角度时南北侧位移差的变化

4　结论

（1）在中跨跨中自重和单位偏载作用下，波形钢腹板屈曲发生在中跨跨中段偏载一侧，且局部、整体和合成屈曲同时发生。

（2）波形钢腹板折叠角度一定时，随着钢腹板长度的增大，汨罗江大桥屈曲稳定性先增强后减弱，钢腹板长度取0.3m时最佳。

（3）波形钢腹板长度一定时，随着折叠角度的增大，汨罗江大桥屈曲稳定性先增强后减弱，折叠角度取30°时最佳。

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2016-01-10