節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板箱梁橋偏載作用下扭轉(zhuǎn)性能試驗研究*

代岳龍　杜　松　鄭和暉　王　敏

(中交第二航務(wù)工程局有限公司1)　武漢　430040)　(長大橋梁建設(shè)施工交通行業(yè)重點實驗室2)　武漢　430040)

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節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板箱梁橋偏載作用下扭轉(zhuǎn)性能試驗研究*

代岳龍1)杜松1,2)鄭和暉2)王敏2)

(中交第二航務(wù)工程局有限公司1)武漢430040)(長大橋梁建設(shè)施工交通行業(yè)重點實驗室2)武漢430040)

為研究節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋偏載作用下的扭轉(zhuǎn)性能，通過4個縮尺試驗?zāi)Ｐ驮嚰?個足尺數(shù)值模型試件，考察節(jié)段式箱梁在偏載作用下的撓度及應(yīng)力發(fā)展規(guī)律，分析成型工藝、接縫數(shù)量、橫隔板布置、波紋形狀等參數(shù)對節(jié)段式箱梁扭轉(zhuǎn)特性的影響.結(jié)果表明，相對于整體式梁，節(jié)段式梁偏載作用下的撓度增大效應(yīng)可提高10%～15%；節(jié)段式箱梁因偏載引起的剪應(yīng)力增大系數(shù)可達1.5倍，尤其需引起注意；成型工藝、橫隔板布置對其扭轉(zhuǎn)增大效應(yīng)影響較大，而波高、接縫數(shù)量則影響較小.根據(jù)能量法提出考慮接縫影響的該類型橋梁抗扭剛度實用計算方法，同時給出了一些設(shè)計建議.

波形鋼腹板箱梁；節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁；接縫；偏載作用；抗扭性能；試驗研究

0　引　　言

近年來，波形鋼腹板組合箱梁橋以其自重輕、預(yù)應(yīng)力效率高、耐久性好、造型美觀等特點在我國得到了大力推廣[1].與常規(guī)混凝土箱梁相比，因波形鋼腹板面內(nèi)剛度小，波形鋼腹板組合箱梁在偏載作用下的扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)更為明顯.目前國內(nèi)外學者對此已經(jīng)開展了一些研究，包括偏載下的抗扭特性、彈性階段應(yīng)力及極限階段抗扭承載力計算方法等，但都基于整體式梁[2-6].對于采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)進行施工的波形鋼腹板組合箱梁[7]，其抗扭特性是否受節(jié)段間接縫、波腹板連接形式等影響還有待研究.

文中以采用節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)箱梁橋為研究對象，選取關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)制作了4片縮尺試驗梁，考察偏心加載過程中節(jié)段拼裝箱梁撓度及應(yīng)力發(fā)展規(guī)律，并補充8片足尺數(shù)值模型梁，分析成型工藝、接縫數(shù)量、橫隔板布置、波紋形狀等對扭轉(zhuǎn)特性的影響，提出考慮接縫影響的抗扭剛度實用計算方法.

1　試驗基本情況

1.1試件類型

根據(jù)研究目的，確定的試驗參數(shù)包括：成型工藝(整體及節(jié)段)、節(jié)段連接形式(栓接及焊接)、中橫隔板數(shù)量(2和4)等.根據(jù)參數(shù)，制作4個試件，整體澆注1個，節(jié)段澆注3個，見表1.

表1　模型試件類型

1.2試驗梁設(shè)計及制作

試驗以我國公路橋梁3車道常用的箱形截面、梁長40～60 m的簡支結(jié)構(gòu)為原型.根據(jù)相似理論、試驗精度要求及試驗條件，取用1∶10的縮尺比，采用的鋼材與原型相同(Q345)，小顆粒骨料混凝土近似與原型相同(C50).模型梁總長5 m，計算跨徑為4.7 m，節(jié)段長度50～80 cm.截面形式為單箱單室，具體構(gòu)造見圖1.波腹板板厚為2.5 mm，彎折角度37°，波高25 mm.梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)體外混合配束形式，預(yù)應(yīng)力施加水平應(yīng)保證加載過程中底板下緣始終不出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中體外預(yù)應(yīng)力通過轉(zhuǎn)向塊形成雙折線布置.節(jié)段式模型梁采用長線匹配法預(yù)制成型，即分2次間斷澆筑混凝土頂?shù)装澹ǜ拱鍎t一次連接成型固定于模板上.

圖1　模型梁構(gòu)造示意(單位：cm)

1.3試驗梁加載與測試

試驗梁加載分偏心與對稱2種工況，均在彈性階段內(nèi)進行，荷載以集中力形式作用于梁體三分點處；測試內(nèi)容包括梁體豎向及側(cè)向撓度、波形鋼腹板應(yīng)變、頂?shù)装寤炷翍?yīng)變等，見圖2～圖3.

圖2　試件加載及測點布置

圖3　試驗實施情況

1.4試驗梁分析模型的建立

采用有限元程序ANSYS建立試驗梁三維分析模型(見圖4)，一方面為校核試驗結(jié)果；另一方面可修正并確定節(jié)段梁接縫計算參數(shù)取值.混凝土頂?shù)装?、波形鋼腹板、預(yù)應(yīng)力鋼束分布采用solid45、shell63、link8單元模擬，波形鋼腹板與頂?shù)装宀捎霉补?jié)點剛接處理.對于節(jié)段式梁，接縫處的內(nèi)力傳遞采用接觸單元(targe170和conta174)模擬，并考慮接觸面之間的摩擦.在參考其他計算經(jīng)驗基礎(chǔ)上[8]，通過與試驗結(jié)果對比不斷試算，確定法向接觸剛度因子FKN、剪切剛度因子FKT、接觸面摩擦系數(shù)等.模型加載分對稱和偏心兩種工況，計算梁體關(guān)鍵截面處撓度、應(yīng)力等.

圖4　試驗梁三維分析模型

2　試驗結(jié)果及分析

2.1試驗梁豎向撓度

圖5a)為節(jié)段梁試件J-05在對稱和偏心荷載作用下加載點處荷載-撓度曲線.在相同荷載等級下，加載點豎向撓度(理論及實測值)在2種工況下有明顯不同，表明箱梁在偏心荷載作用下發(fā)生了剛性扭轉(zhuǎn).將偏載作用下的豎向撓度扣除對稱作用下的相應(yīng)值，即為扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加撓度，該附加撓度與對稱荷載作用下的彎曲撓度比值被定義為增大效應(yīng).圖5b)為4個試件的豎向撓度增大效應(yīng)實測值及理論值，對比發(fā)現(xiàn)：(1)相對于整體式梁，節(jié)段式梁因扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的撓度增大效應(yīng)更加明顯(節(jié)段式梁撓度增大值為1.15～1.3倍，整體式梁增大值為1.05～1.14倍)，主要原因在于節(jié)段式梁混凝土頂?shù)装甯山涌p界面在扭矩作用下存在微小錯動變形；(2)波形鋼腹板節(jié)段間采用栓接或焊接連接形式對扭轉(zhuǎn)撓度增大效應(yīng)基本無影響；(3)橫隔板數(shù)量的增加可以有效降低扭轉(zhuǎn)撓度增大系數(shù).

圖5　試驗梁豎向撓度測試及分析結(jié)果

2.2試驗梁頂?shù)装蹇v向應(yīng)變

圖6a)，b)為整體梁與節(jié)段梁在兩種荷載工況下的底板縱向應(yīng)變發(fā)展情況.可以看出，在偏載作用下，箱梁頂?shù)装蹇v向?qū)a(chǎn)生彎曲應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)畸變應(yīng)變，將偏心工況下的應(yīng)變扣除對稱工況下的應(yīng)變即可得縱向翹曲應(yīng)變.圖6c)，d)給出了不同試件頂?shù)装迓N曲應(yīng)變與彎曲應(yīng)變之比.可以看出，整體式梁翹曲應(yīng)變?yōu)閺澢鷳?yīng)變的5%～10%，節(jié)段式梁翹曲應(yīng)變?yōu)閺澢鷳?yīng)變的5%～20%；隨著中橫隔板數(shù)量增加，翹曲應(yīng)變占比彎曲應(yīng)變有所下降，表明橫隔板能有效抑制箱梁框架變形.

圖6　試驗梁頂?shù)装蹇v向應(yīng)變測試及分析結(jié)果

2.3試驗梁波形鋼腹板扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力

圖7a)為節(jié)段梁J-04在兩種荷載工況下的波形鋼腹板剪應(yīng)力隨荷載發(fā)展情況.在偏載作用下，波形鋼腹板將產(chǎn)生彎曲剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力.同樣地，將偏心荷載作用下的剪應(yīng)力減去對稱荷載作用下的剪應(yīng)力，即得到附加剪應(yīng)力.圖7b)為不同試件附加剪應(yīng)力與彎曲剪應(yīng)力之比.整體式梁附加剪應(yīng)力為彎曲剪應(yīng)力的15%～25%；節(jié)段式梁附加剪應(yīng)力為彎曲剪應(yīng)力的25%～45%，區(qū)別在于節(jié)段梁接縫處波形鋼腹板承擔了截面更多剪力，這也說明對于節(jié)段式梁偏載引起的附加剪應(yīng)力需引起重視.

圖7　試驗梁腹板剪應(yīng)力測試及分析結(jié)果

3　參數(shù)影響分析

3.1參數(shù)選取及模型建立

為使上述模型梁試驗結(jié)論更具有合理性和實用性，建立50 m跨徑節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板簡支箱梁橋有限元模型.根據(jù)研究目的，選取成型工藝、接縫數(shù)量、波紋形狀(波高)和中橫隔板數(shù)量4個參數(shù)，補充設(shè)計了8個數(shù)值模型，對該類型橋梁偏載作用下的抗扭性能進行數(shù)值試驗研究.

表2為不同數(shù)值模型的參數(shù)，圖8為有限元模型.根據(jù)前述數(shù)值分析與試驗數(shù)據(jù)的校核結(jié)果，確定有限元模型中接縫計算參數(shù)如下：法向接觸剛度因子FKN=1.0，剪切剛度因子FKT=0.1，接觸面摩擦系數(shù)取為0.8.

表2　抗扭分析模型參數(shù)表

圖8　試驗梁三維分析模型

3.2影響因素分析

1) 成型工藝圖9為不同截面處整體式和節(jié)段式梁因扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加效應(yīng)(撓度增大、翹曲正應(yīng)力、附加剪應(yīng)力等)分析結(jié)果.可以看出：(1) 偏載下整體式梁撓度約為對稱情況的1.12倍，而節(jié)段式梁為1.18倍，節(jié)段式梁因接縫的存在其扭轉(zhuǎn)增大效應(yīng)更明顯，這與縮尺模型試驗結(jié)果相吻合；(2) 應(yīng)力增大方面也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，且與試驗結(jié)果吻合較好，例如偏載作用所產(chǎn)生附加剪應(yīng)力為彎曲剪應(yīng)力的50%左右.

圖9　不同成型工藝下扭轉(zhuǎn)增大效應(yīng)對比

2) 接縫數(shù)量根據(jù)50 m跨箱梁橋常規(guī)節(jié)段劃分，分析11，13，以及15條接縫數(shù)量對箱梁扭轉(zhuǎn)附加效應(yīng)的影響.圖10則給出了不同截面處3個試件因扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加效應(yīng)(撓度增大、翹曲正應(yīng)力、附加剪應(yīng)力等)分析結(jié)果.箱梁在偏心荷載作用下除豎向撓度增大系數(shù)隨著接縫數(shù)量增加而增大外，其余應(yīng)力附加比例均無明顯變化.

圖10　不同接縫數(shù)量下扭轉(zhuǎn)增大效應(yīng)對比

3) 鋼腹板波紋形狀圖11為不同截面處采用3種波形的試件因扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加效應(yīng)(撓度增大、翹曲正應(yīng)力、附加剪應(yīng)力等)分析結(jié)果.腹板波紋形狀對箱梁扭轉(zhuǎn)附加效應(yīng)基本無影響，例如，豎向撓度增大系數(shù)均為1.2倍；波腹板剪應(yīng)力均放大至1.6倍等.

圖11　不同波形下扭轉(zhuǎn)增大效應(yīng)對比

4) 中橫隔板數(shù)量圖12為不同截面處采用3種橫隔板布置的試件因扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的附加效應(yīng)(撓度增大、翹曲正應(yīng)力、附加剪應(yīng)力等)分析結(jié)果.隨著中橫隔板數(shù)量的增加，箱梁豎向撓度及頂?shù)装逭龖?yīng)力因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的增大效應(yīng)減少，而波腹板剪應(yīng)力放大效應(yīng)則基本不受影響.需要注意到的是，橫隔板數(shù)量從2道增加至4道，箱梁豎向撓度及頂?shù)装逭龖?yīng)力增大效應(yīng)未出現(xiàn)明顯變化.對比分析箱梁不同位置處可知，增加橫隔板數(shù)量更能改善跨中截面扭轉(zhuǎn)受力性能.

圖12　不同中橫隔板數(shù)量下扭轉(zhuǎn)增大效應(yīng)對比

4　節(jié)段預(yù)制拼裝波腹板橋梁抗扭剛度的實用計算方法

目前，對波形鋼腹板組合箱梁的扭轉(zhuǎn)計算主要集中在內(nèi)力，對抗扭剛度計算關(guān)注較少.盡管通過試驗研究和數(shù)值分析可得到扭轉(zhuǎn)剛度，但過程較為復(fù)雜.為此，提出一種考慮接縫折減的節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板箱梁橋扭轉(zhuǎn)剛度實用算法.

波形鋼腹板箱梁是典型的薄壁構(gòu)件，可從能量守恒的角度研究箱梁的扭轉(zhuǎn)，即外力做功與箱梁本身應(yīng)變能相等.設(shè)所受扭矩為T，扭轉(zhuǎn)角為dθ=θ′dz，扭率為θ′、扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力為τ，剪應(yīng)變?yōu)棣茫瑒t：

(1)

(2)

已知剛性扭轉(zhuǎn)剛度K=T/θ′，同時引用日本學者關(guān)于本谷橋的試驗研究成果，對波形鋼腹板和混凝土頂?shù)装宄艘哉{(diào)整系數(shù)1+α、1-α，其中α=0.4H/b-0.06.則

(3)

式中：Am為箱形面積；b為箱室寬度(不含翼緣板)；H為箱梁頂?shù)装逯行木?；Gs和Gc為鋼材、混凝土剪切彈性模量；t1/t2為混凝土頂板、底板的厚度；t3/t4為波形鋼腹板厚度

節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板箱梁橋的扭轉(zhuǎn)剛度經(jīng)過接縫折減系數(shù)進行調(diào)整，即

(4)

式中：μθ為抗扭剛度接縫折減系數(shù)，根據(jù)前述模型試驗及理論分析結(jié)果，相對于整體式梁，節(jié)段式梁因扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的撓度增大系數(shù)偏大10%～15%，且與接縫數(shù)量、橫隔板布置相關(guān).為此，建議該系數(shù)μθ取值為0.85～0.90，接縫數(shù)量多且橫隔板布置較少可取較小值，反之則可取較大值.

5　結(jié)　　論

1) 相對于整體式波形鋼腹板組合箱梁，節(jié)段式梁由于混凝土頂?shù)装甯山涌p界面存在微小錯動變形，因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)所產(chǎn)生的撓度和應(yīng)力增大效應(yīng)均有所提高；節(jié)段式梁撓度增大系數(shù)隨著接縫數(shù)量的增加而增加，約為為整體式梁的10～15%；節(jié)段式梁因接縫處波腹板承剪比例大，偏載作用下所產(chǎn)生的附加剪應(yīng)力可達彎曲剪應(yīng)力的50%以上，需引起足夠注意.

2) 采用經(jīng)模型試驗修正后的干接縫模擬方法，選取關(guān)鍵參數(shù)和50 m跨徑實橋進行影響因素分析，結(jié)果表明，成型工藝、橫隔板布置對箱梁撓度及應(yīng)力增大效應(yīng)影響較大，波形、接縫數(shù)量則影響較小.

3) 根據(jù)能量法和試驗分析結(jié)果，提出了一種節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋抗扭剛度實用計算方法，并給出了考慮接縫的折減系數(shù)取值.

4) 對于節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋，宜適當增加橫隔板布置和波形鋼腹板板厚等，提高箱梁抗扭剛度，有效控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平.

本試驗及分析主要針對節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋彈性階段的抗扭受力性能，揭示了撓度及應(yīng)力增大規(guī)律.為推廣應(yīng)用該新型結(jié)構(gòu)，還需就抗扭承載力、偏載系數(shù)設(shè)計方法等方面開展進一步的研究.

[1]萬水，李淑琴，馬磊.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)在中國橋梁工程中的應(yīng)用[J].建筑科學與工程學報，2009,26(2)：15-20.

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[8]朱駿，徐棟．節(jié)段橋梁干接縫接觸有限元分析[C]．第二屆全國土木工程研究生學術(shù)論壇論文集，2004：55-58.

Experimental Study on Torsional Behavior of Precast Segmental Box Girders Bridge with Corrugated Steel Webs under Eccentric Loading

DAI Yuelong1)DU Song1,2)ZHENG Hehui2)WANG Min2)

(CCCCSecondharborengineeringcompanyLTD.,Wuhan430040,China)1)(KeyLabofLarge-spanBridgeConstructionTechnology,MinistryofCommunication,Wuhan430040,China)2)

In order to study the torsional behavior of precast segmental box girders bridge with corrugated steel webs under eccentric loading, four 1:10 scaled models of segmental beam are manufactured for the first time, and eight full-scale FEA model are built considering the joint between segments. Deflection and stress variations in the segmental box girder under elastic stage are investigated. The influence of key parameters to torsional behavior, such as, forming processes, number of joints, layout of diaphragm, web shape, is analyzed. The results show that the torsional enlargement effect of deflection can improve more than 10%～15% in segmental beam, compared to monolithic beam. The torsional enlargement effect of shear stress, which can be increased by 1.5 times due to the eccentric load, must be taken seriously consideration for segmental beam. The forming processes and layout of diaphragm have significant influence to torsional enlargement effect, while the numbers of joints and web shape have little influence to it. Finally, based on the energy method, a practical calculation method considering the joint, for the torsional stiffness of this bridge is proposed, and some design suggestions are given.

box girders bridge with corrugated steel web; precast segmental bridge; joint; eccentric loading; torsional behavior; experimental study

2016-05-24

U448.21

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.020

代岳龍(1987- )：男，工程師，主要研究領(lǐng)域為橋梁工程建設(shè)及技術(shù)管理

*交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目資助(201431949A230)