多室波形钢腹板箱梁畸变应力分析论文_许博

摘要：波形钢腹板箱梁，是用波形钢腹板取代传统的混凝土腹板，同时箱梁底板的厚度较混凝土箱梁有所减小，所以波形钢腹板组合箱梁的抗扭刚度、抗剪刚度、纵向及横向刚度与普通混凝土箱梁相比均有所下降，由于波形钢腹板本身的手风琴效应，与混凝土的纵向刚度和弯曲刚度相比，波形钢腹板的纵向刚度和弯曲刚度非常小，波形钢腹板箱梁中扭曲变形引起的翘曲正应力导致的弯矩阻力效果也很小。基于此，本文分析了多室波形钢腹板梁的畸变应力，以下讨论仅供参考。

关键词：多室；波形钢腹板；畸变应力

引言

单箱多室波形钢腹梁桥自重轻、易施工，技术和设计理论及方法的成熟度较高。与成桥状态相比，单箱多室波形钢腹板在施工状态下，梁体稳定性薄弱，施工过程中负荷不对称，偏心负荷导致的空间扭转和扭曲效果更加明显。

1.波形钢腹板箱梁的畸变荷载分解

单室波形钢腹板箱梁的横断面如图1（a）所示，在竖向偏心荷载作用下，波形钢腹板箱梁会产生畸变效应，通常该偏心荷载又可分解为对称荷载和反对称荷载，而箱形梁截面在反对称荷载作用下会产生周边扭转变形和截面畸变变形。当箱形梁受到扭转荷载作用时可施加一虚拟的对角支撑来阻止截面变形，使截面只发生刚性扭转变形，而当解除这一虚拟对角支撑时，相当于施加一斜撑的反向力，截面将发生畸变变形，则该反向力就是箱形梁产生畸变变形的畸变荷载。

（a） （b）

图1箱梁横断面及畸变变形图

2.波形钢腹板曲线箱梁畸变微分方程

由于曲率的影响，弯曲梁截面的弯矩对扭曲变形起作用。波纹钢腹板的起皱效应可视为波形腹板不受法向应力的作用，截面的正常应力只作用于箱梁顶和底板。假设梁的竖向挠度为 ｗ（ｘ），截面转角为θ（ｘ），翼缘板的纵向位移函数为ｕ（ｘ，ｙ），则

（3）

式中：ξ（ｘ）为翼缘板剪切转角的最大差值； 为截面形心到顶板形心的距离， 为截面形心到底板形心的距离；ｆ（ｙ）为剪力滞翘曲形函数，假定翼板纵向位移沿横向为三次抛物线。为保证由于截面的翘曲位移产生的正应力构成轴力自平衡，在 全 截 面 加 一 均匀 的 轴 向 位移D，ｆ（ｙ）表达式为：

（4）

3.波形钢腹板箱梁的畸变位移

首先截取单位长度的波形钢腹板箱梁单元体，将其看作框架结构并忽略底板悬臂部分，考虑组合箱梁结构断面的畸变位移，箱梁在畸变荷载作用下，框架的的畸变变形如图1（b）所示。其中h为梁高， /2， /2分别为顶底板宽度的一半，D为箱梁的畸变中心，即箱梁发生畸变时各板件切向位移共同对应的转动中心；O为形心，x轴和y轴为形心轴；θ为钢腹板的倾斜角度；过畸变中心D与x轴正半轴的波形钢腹板相交于A点，与y轴正半轴的底板相交于B点。由于波形钢腹板在纵向具有褶皱效应，所以在其发生畸变时，顶底板不产生畸变位移，仅底板B点移至B1点。本文将波形钢腹板箱梁畸变变形产生的位移定义为畸变角γ2．

4.不同曲率半径畸变角分布规律分析

具有不同弯曲半径的波纹钢腹板箱梁在同一载荷下具有不同的最大畸变角度。考虑到实际桥梁曲率和半径之间的比率，桥梁横截面尺寸、横截面和跨度的尺寸不会改变，而曲率半径发生变化。我们分别对曲率半径30米、40米以及相应的圆角9.50≤或者≤95.50的波形钢腹板组合箱梁分别进行了有限元分析。图2显示了波纹钢腹板箱梁在3个工况下具有最大的变形效果。

图2不同荷载工况下畸变角沿梁纵向分布

同时，随着曲率半径的增加，相同载荷下的畸变角会持续减小。当波形钢腹板曲线桥的曲率半径较大时，扭曲分析结果与直桥近似。

结束语

本文通过畸变荷载分解建立了波形钢腹板箱梁畸变微分方程，并分析了波形钢腹板畸变位移及不同曲率半径的影响。结合波形钢腹板组合箱梁的应力特性，我们选择扭曲中心的扭曲角度作为扭曲位移；当波形钢腹板曲线桥的曲率半径较大时，畸变角会迅速减小，此时可以使用直桥执行扭曲分析计算。

参考文献

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湖南省教育厅资助科研项目16C0284

论文作者:许博

论文发表刊物:《建筑模拟》2020年第1期

论文发表时间:2020/3/27

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