波形鋼腹板箱梁橋設計驗算方法介紹
2010-07-22
波形鋼腹板箱梁在國外的應用已比較廣泛，尤其是日本和法國。我國對這類結構的研究還處于起步階段，設計理論和設計方法都不成熟，還沒有成熟的設計驗算方法。將波形鋼腹板應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。
為推廣這類結構在國內的應用，參考國內外已有的設計、驗算資料，對波形鋼腹板箱梁橋在設計過程中需要驗算的部位、內容和方法進行介紹，為工程設計人員提供參考和借鑒。
1.結構驗算內容與方法
1.1 驗算對象與內容 波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋的上部結構由混凝土橋面板和波形鋼腹板組成，根據結構的受力特性，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。
在波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋的設計中需要對安全性和使用性等性能進行驗算分析，以保證結構的可靠性。驗算的主要位置有：①梁結構在順橋方向的驗算，即對結構彎曲狀態(tài)下的安全性驗算；②波形鋼腹板剪切驗算；③鋼和混凝土結合部驗算；④混凝土橋面板的驗算。對于波形鋼腹板箱梁結構，鋼腹板的剪切失穩(wěn)和鋼混結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，結構剛度大，行車、噪音、振動對結構影響很小，可以忽略。但是波形鋼腹板和混凝土橋面板的結合部在使用極限狀態(tài)下產生錯位會影響結構變形，需要對結合部在行車狀況下進行驗算。
本文著重介紹結構達到安全性要求的設計驗算過程、驗算方法、驗算指標，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 結構在滿足安全性能的條件下需要進行如表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，但是當波形鋼腹板之間采用新的焊接構造時，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。
波形鋼腹板箱梁結構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]。
在對橋面板進行設計驗算時，可以根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》4.1條中板的設計彎矩進行設計驗算。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。根據本谷橋的設計研究表明，將簡支板彎矩的90%作為設計彎矩可以滿足結構的安全性需要[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構中，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折位置之間的平面鋼板的失穩(wěn)，彈性失穩(wěn)強度用τecr，L表示，計算按簡支鋼板失穩(wěn)強度計算。
(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用于按混凝土強確定抗剪強度的計算
④用于按鋼材強度確定抗剪強度的計算
2.結論
本文主要介紹了波形鋼腹板箱梁橋設計驗算對象和方法，可為工程設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用。
參考文獻：
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