波纹钢腹板组合T梁控制截面剪应力分析

摘要:为了分析波纹钢腹板预应力混凝土T梁桥的受力特点,通过分析各类参数对其受力的影响,建立用于分析的几何模型,采用有限元建模的方法,通过改变模型的参数,分析各参数对波纹钢腹板预应力混凝土T梁桥的受力的影响。通过分析可知, 波纹钢腹板控制截面的剪应力几乎全由波纹钢腹板承担，且沿高度方向呈均匀分布;剪应力Sxy随着波高、腹板弯折角及跨径的增加而增大；随着腹板厚度、腹板高度的增加而减小；各参数对剪应力Sxy影响都较为明显。剪应力Syz随着波高、腹板弯折角及直板段长的增加变化极小；随着腹板厚度、腹板高度的增加而减小；随着跨径的增加而增加。

关键词:波纹钢腹板;T梁;控制截面;剪应力;受力特点

中图分类号： C35 文献标识码： A

1 概述

波纹钢腹板预应力混凝土（PC）组合箱梁是用波形钢腹板代替箱梁混凝土腹板形成的钢―混凝土组合结构。这种组合结构的特点是：腹板采用轻型钢板，可以大幅度减轻箱梁的自重，减少下部结构的工程量，从而降低了造价。由于不需要混凝土腹板，从而相应减少了钢筋和模板的制作与安装，缩短了工期，方便施工。从结构上看，波形钢腹板PC组合箱梁充分利用了混凝土抗压，波形钢腹板抗剪屈曲强度高的优点[1]。目前，日本修建了一座波纹钢腹板T梁桥――Sogawa 桥（图1），此结构用在中小跨桥梁结构中，可降低费用，重量轻，可适当增大跨径。此外，波形钢腹板增强了梁的立体感，使得外形更加美观，非常适合对桥梁外观要求较高的地区或城市立交。本文主要研究各参数影响下波纹钢腹板组合T梁控制截面的剪应力受力特点。

图1Sogawa 桥

2波纹钢腹板T梁分析模型

2.1 几何模型

波纹钢腹板T梁几何模型如图2所示，波纹钢腹板的主要几何参数有板厚、平板长度、斜板长度、波形钢腹板的高度H、波高h、弯折角度以及腹板波折处连接弧线的半径R等（图3）。

图2波纹钢腹板T梁几何模型示意

图3波纹钢腹板尺寸示意

2.2分析模型参数取值

根据影响因素的分析[2,3]，本文采用的模型分为6类（表1），每一类模型为改变一个参数的取值，其他参数取值固定(以编号2数据为基准)，分别分析各参数对波纹钢腹板组合T梁控制截面剪应力受力特点的影响。

表1 模型参数取值

2.3 有限元模型的建立

对以上几何模型采用ANSYS软件建立有限元模型（图4），模型梁的底板一端约束X、Y、Z三个方向的线位移，另一端约束Y、Z方向的线位移,采用降温法施加预应力。

图4波纹钢腹板T梁有限元模型局部

3 控制截面剪应力分析

图5为剪应力Sxy云图，剪应力Sxy以跨中为轴沿跨径方向左右对称，大小沿跨径向跨中递减，最大剪应力Sxy出现在距梁端0.45m处的斜向板上，本文将其作为控制截面分析剪应力Sxy的变化特点。

图5剪应力Sxy云图

图6为剪应力Syz云图，由图可见，剪应力Syz以跨中为轴沿跨径方向左右对称，即方向相反、大小对称相等，并向跨中递减。剪应力Syz最值出现在距梁端0.65m处腹板直板段处，因此本文将其中右端剪应力最大截面作为控制截面分析剪应力Syz的变化特点。

图6剪应力Syz云图

图7为跨中集中荷载作用下，控制截面剪应力的有限元计算值Sxy沿梁高的变化曲线；图8为跨中集中荷载作用下，控制截面剪应力Syz的有限元计算值沿梁高的变化曲线。由图可看出，剪应力主要由波纹钢腹板承担，混凝土顶、底板剪应力很小，因此在实际工程设计中可认为剪应力全部由波纹钢腹板来承担。

图7剪应力Sxy沿梁高变化曲线图8剪应力Syz沿梁高变化曲线

4 不同参数变化下控制截面剪应力分布特点

由第3节知，各级荷载作用下，剪应力沿梁高变化趋势相同，因此研究控制截面剪应力随参数改变的变化情况时以荷载100kN作用为代表进行分析。

4.1 剪应力Sxy

图9为各参数变化下，控制截面剪应力有限元计算值Sxy沿梁高的变化曲线。图10为各参数变化下，剪应力Sxy变化率沿梁高的分布情况，可见剪应力随梁高变化较均匀。

从图9中可以进一步证实剪应力Sxy几乎完全由波纹钢腹板承担，混凝土顶、底板剪应力极小，设计中可忽略不计。波纹钢腹板控制截面剪应力Sxy随着波高、腹板弯折角及跨径的增加而增大；随着腹板厚度、腹板高度的增加而减小；随着直板段长的变化没有规律，在直板段长为0.25m时应力最小；各参数对剪应力Sxy影响都较为明显，剪应力变化范围在-14.8%~19.7%之间。

（a） 变波高（b） 变弯折角

（c） 变变直板段长（d） 变腹板厚

（e） 变腹板高（f） 变跨径

图9 剪应力Sxy沿梁高的变化曲线

图10 剪应力Sxy变化率沿梁高的变化曲线

4.2 剪应力Syz

图11为各参数变化下，控制截面剪应力有限元计算值Syz沿梁高的变化曲线图。从图中可以进一步证实剪应力Syz几乎完全由波纹钢腹板承担，混凝土顶、底板剪应力极小，设计中可不计。波纹钢腹板控制截面剪应力Syz随着波高、腹板弯折角及直板段长的增加变化极小，变化范围为-11.5%~10.9%；随着腹板厚度、腹板高度的增加而减小；随着跨径的增加而增加，变化范围为-40.5%~19.9%。

图12为各参数变化下，腹板剪应力Syz变化率沿梁高的分布情况，可见剪应力Syz沿梁高变化比较均匀。

（a） 变波高 （b） 变弯折角

（c） 变波高 （d） 变弯折角

（e） 变腹板高（f） 变跨径

图11 剪应力Syz沿梁高变化曲线

图12 剪应力Syz变化率沿梁高变化曲线

5 结论

(1) 剪应力几乎全由波纹钢腹板承担，且沿高度方向呈均匀分布。

(2) 波纹钢腹板控制截面剪应力Sxy随着波高、腹板弯折角及跨径的增加而增大；随着腹板厚度、腹板高度的增加而减小；各参数对剪应力Sxy影响都较为明显。

(3) 波纹钢腹板控制截面剪应力Syz随着波高、腹板弯折角及直板段长的增加变化极小；随着腹板厚度、腹板高度的增加而减小；随着跨径的增加而增加。

参 考 文 献：

[1] 杨明，孙筠，张树仁，等. 波纹钢腹板体外预应力箱梁桥的发展与展望[J]. 公路交通科技，2006，(12)：72-75.

[2] 任红伟，陈海波，宋建永. 波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析[J]. 公路交通科技，2008，(8)：92-96.

[3] 苏俭，刘钊. 波纹钢腹板桥梁的腹板优化设计探讨[J]. 现代交通技术，2009，(3)：44-47.

作者简介：穆卓辉（1981―），女，汉族，工程师，2005年毕业于内蒙古工业大学道路与桥梁工程专业，工学学士，2008年毕业于长安大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士