波纹钢腹板预应力混凝土箱梁设计方法研究--- 优秀毕业论文

1、分类号：U 4 4 ，U 4 51 0 7 1 0 0 8 2 11 6 4谖专犬海硕士学位论文波纹钢腹板预应力混凝土箱梁设计方法研究导师姓名职称申请学位级别论文提交日期学位授予单位廖雅杰狄谨教授答辩委员会主席学位论文评阅人孔祥福研究员林新元教授级高工谭冬莲副教授R e s e a r c ho nD e s i g nM e t h o do fP r e s t r e s s e dC o n c r e t eB o xG i r d e rw i t hC o r r u g a t e dS t e e lW e b sAD i s s e r t a t i o nS u b m

2、 i t t e df o rt h eD e g r e eo fM a s t e rC a n d i d a t e ：L i a oY a j i eS u p e r v i s o r ：p r o f D iJ i nC h a n g a nU n i v e r s i t y , X i a n ，C h i n a论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的

3、法律责任由本人承担。论文作者签名：彦猩杰2 Dl | 年6 只l jB论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：廖卅主。蠢导师签名：习必唾知| 6 艮马E l2 乃7 年舌月协日摘要波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥是一种新型的钢混凝土组合结构桥梁，它用波纹钢腹板代替传统的混凝土腹板，大大减轻了结构自重。结构受力合理，提高材料的利用率，缩短施工工期，外形美观

4、。与传统混凝土箱梁相比，波纹钢腹板箱梁具有更加明显的经济效益和社会效益。本文结合某波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥，对波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的设计方法进行研究。根据波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的轴向受力特性，结合参考文献给出了波纹钢腹板预应力混凝土简支箱梁翼板有效分布宽度的经验计算公式，及体外预应力钢筋极限应力计算方法，根据钢筋混凝土梁的弯曲理论推导出波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的极限抗弯承载力计算的基本公式。通过分析国内外在抗剪性能方面的研究成果，总结了波纹钢腹板预应力混凝土箱梁剪切屈曲强度的计算方法，给出了波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计中波纹钢腹板剪切刚度的计算方法，剪应力强度的计算和验算

5、方法及屈曲稳定的验算方法，提出波纹钢腹板抗剪设计流程。以箱梁设计理论为基础，并结合波纹钢腹板箱梁的结构和受力特点，采用乌氏第二理论对波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的扭转进行研究。剪切变形对波纹钢腹板的挠度影响很大，计算时不可忽略。给出了波纹钢腹板在考虑偏心荷载作用下剪应力的计算公式，同时根据T i m o s h e n k o 梁理论推导了考虑剪切变形影响的波纹钢腹板箱梁的挠度计算公式。波纹钢腹板与混凝土顶底板的连接部是波纹钢腹板预应力混凝土箱梁设计的关键环节，通过统计分析国内外已建和在建波纹钢腹板桥梁的抗剪连接件类型，给出几种常用混凝土顶底板与波纹钢腹板的结合部设计计算和验算方法。最后对某波纹

6、钢腹板预应力混凝土箱梁桥进行有限元分析，并用本文提出的波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的设计方法，对结构的抗弯承载力，抗剪承载力，剪切屈曲稳定性及刚度进行验算。关键词：波纹钢腹板；预应力混凝土；设计方法；抗弯承载力；剪切屈曲I一A B S T R A C TP r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o xg i r d e rw i t l lc o r r u g a t e ds t e e lw e b si san e wt y p eo fs t e e l - p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o m p o

7、s i t es t r u c t u r eb r i d g e I tr e d u c e st h es e l f - w e i g h tt h a tc o r r u g a t e ds t e e lw e b sa r eu s e dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lc o n c r e t ew e b I th a sr e a s o n a b l em e c h a n i cp r o p e r t y , i m p r o v e sm a t e r i a lu t i l i z a t

8、 i o n ，s h o r t e n sc o n s t r u c t i o np e r i o d , a n db e a t i f i e st h es h a p e C o m p a r i n g 、衍mt r a d i t i o n a lp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o xg i r d e r , t h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o xg i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sh a ss

9、u p e r i o r i t ye c o n o m yb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t T h i sp a p e rr e s e a c h e st h ed e s i g nm e t h o do fp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o xg i r d e rw i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sc o m b i n e d 、析t l lt h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i cp r

10、 o p e r t i e s B a s e do nt h ea x i a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ee x p e r i e n c ef o r m u l ao ff l a n g ee f f e c t i v ew i d t ha n dt h eu l t i m a t es t r e s sc a l c u l a t i o nm e t h o do fe x t e m a lp r e s t r e s s i n gt e n d o n s ，t h

11、 eb a s i cf o r m u l ao fu l t i m a t ec a p a c i t yo ft h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o x - g i r d e rb r i d g ew i t hc o r r u g a t e ds t e e lw e b sw a sd e d u c e db a s e do nt h eb e a mf l e x u r et h e o r y R e s u l t sf r o mm a n ys h e a rs t r e n g t ht e s t s

12、c o n d u c t e do ng i r d e rs p e c i m e n sw i t hc o r r u g a t e dw e b sa r ea v a i l a b l ei nt h el i t e r a t u r ew h e r e i nb o t l ll o c a la n dg l o b a ls h e a rb u c k l i n gm o d e sh a v eb e e no b s e r v e d T h es h e a rr e s i s t a n td e s i g nm e t h o do fs t

13、r u c t u r e sw i t l lc o r r u g a t e dw e b sW a ss t u d i e d T h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs h e a rs t i f f n e s sa n dt h ec h e c k i n gc o m p u t a t i o n so fs h e a rs t r e s sw e r ed e v e l o p e d O nt h e b a s i so fd e s i g nt h e o r yf o rb o xg i r d e ra n d

14、c o m b i n e dw i t l lt h es t r u c t u r a la n dm e c h a n i cp r o p e r t i e so ft h eP Cb o xg i r d e r 、 ，i t l lc o r r u g a t e ds t e e lw e b s ，t h eS e c o n dT h e o r yo fA A U m a n s k i iW a sa d o p t e dt or e s e a r c h0 1 1i t sr e s t r m n e dt o r s i o n T h ed e f l

15、 e c t i o no fp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o xg i r d e rw i t l lc o r r u g a t e ds t e e lw e b sc a nn o tb ei g n o r e dw h e nc o n s i d e r i n gS h e a rd e f o r m a t i o n T h ef o r m u l ao fs h e a r i n gs t r e s so fc o r r u g a t e ds t e e lw e bw a sp r e s e n t e

16、dc o n s i d e r i n gt h ea c t i o no fe c c e n t r i cl o a d s U s i n gt h eT i m o s h e n k ot h e o r i e so fb e a m ，t h ef l e x u r a lf o r m u l ao fb o x g i r d e rb r i d g e 、 ，i t l lc o r r u g a t e ds t e e lw e b sW a sd e d u c e di nv i e wo ft h ei n f l u e n c eo fs h e

17、a r i n gd e f o r m a t i o n I nt h es t r u c t u r a ld e s i g no fp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o xg i r d e rw i t l lc o r r u g a t e ds t e e lw e b s ，i ti sp i r o t a lt od e s i g nh o wt oc o n n e c tc o r r u g a t e ds t e e lw e b st oc o n c r e c ts l a b s T h r o u g h

18、t h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h et y p e so fc o n n e c t o r so fp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb o xg i r d e rw i t hi i ic h e c k i n gc o m p u t a t i o n so fb e n d i n gm o n m e n t ，s h e a ra n dd e f o r m a t i o n K e y w o r d s ：c o r r u g a t e ds t e e lw e

19、 b s ；p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ；d e s i g nm e t h o d ；f l e x u r a lc a p a c i t y ；S h e a rb u c k l i n g目录第一章绪论l1 1 概述l1 2 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的构造特点21 2 1 整体构造21 2 2 主梁31 2 3 结构中的连接71 2 4 预应力束布置方式91 3 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的施工一91 4 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的研究现状1 11 4 1 抗弯性能研究”1 11 4 2 抗剪性能研究”1 31 4 3 抗扭性

20、能研究1 51 4 4 波纹钢腹板箱梁挠度计算方法”l71 4 5 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁翼缘板有效分布宽度研究一1 71 5 本文研究内容l7第二章波纹钢腹板预应力混凝土箱梁抗弯设计1 92 1 轴向受力特性分析192 2 拟平截面假定理论2 22 3 翼缘有效分布宽度2 32 4 正截面极限承载力计算2 52 4 1 基本假定2 52 4 2 基本公式及适用条件”2 52 5 本章小结2 7第三章波纹钢腹板的抗剪承载力及剪切屈曲强度计算2 83 1 概述2 83 2 影响波纹钢腹板抗剪性能的因素2 8波纹钢腹板剪切刚度的计算2 9波纹钢腹板剪应力验算方法”3 03 4 1 腹板剪应力的

21、计算3 03 4 2 腹板剪应力的验算“31波纹钢腹板的剪切屈曲强度计算方法”3 23 5 1 局部屈曲强度的计算方法”3 23 5 2 整体屈曲强度的计算方法“3 63 5 3 相关屈曲强度的计算方法4 0波纹钢腹板预应力混凝土箱梁抗剪设计方法4 1本章小结4 2波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的抗扭验算4 3概述4 3波纹钢腹板箱梁等效截面4 3扭转刚度计算4 5箱梁约束扭转分析基本方法一乌氏第二理论4 64 4 1 单室箱梁的约束扭转纵向位移4 64 4 2 约束扭转正应力4 74 4 3 约束扭转剪应力4 8扭转产生剪应力验算4 9本章小结5 0波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的变形计算5 l5

22、 1 考虑剪切变形时波纹钢腹板箱梁的弯曲挠度5 l5 2 扭转变形5 35 3 本章小结5 4第六章波纹钢腹板与混凝土顶底板的连接部设计5 56 1 概述! ”5 56 2 连接件的破坏形式及验算内容5 56 2 1 连接件的破坏形式一5 56 2 2 连接件的验算内容5 56 3 各种连接件的抗剪承载力计算5 66 3 1 嵌入式剪力连接件”5 66 3 2 角钢剪力连接件5 96 3 31 晰n P B L 连接件“6 06 3 4S - P B L + 栓钉连接件6 16 4 连接件的角隅弯矩计算6 26 4 1 嵌入式剪力连接件6 26 4 2 角钢剪力连接件”6 56 4 3T w

23、i n P B L 连接件6 66 4 4S - P B L + 栓钉连接”6 76 5 本章小结6 9第七章波纹钢腹板预应力混凝土箱梁设计实例譬。7 07 1 项目背景7 07 2 主梁平面有限元分析7 17 2 1 有限元分析模型”7 l7 2 2 材料及截面特性”7 17 2 3 主要计算荷载”7 27 2 4 分析工况”7 27 2 5 分析结果7 27 3 抗弯承载力验算817 3 1 中跨跨中抗弯承载力验算”8 17 3 2 中跨支点处抗弯承载力验算8 17 3 3 边跨跨中抗弯承载力验算“8 27 4 抗剪承载力验算8 37 4 1 中支点截面- 8 37 4 2 中跨L ，4

24、截面8 47 4 3 边跨钢腹板端部截面”8 47 5 稳定性验算8 5曲“8 5曲一8 6曲”8 68 68 78 88 88 99 09 4长安大学硕士学位论文1 1 概述第一章绪论波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥是一种新型的桥梁结构型式，它是由波纹钢腹板、混凝土顶底板、体内外预应力钢筋、横隔板等组成。1 9 7 5 年法国首先提出这种构思，并于1 9 8 6 年建成了世界上首座波纹钢腹板预应力混凝土箱形梁桥- - C o g n a c 桥，随后又分别建成J M a u p r e 桥、A s t e r i xP a r k 桥及D o l e 桥。日本也进行了比较详细的开发研究，先后建成

25、了本谷川桥、松本7 号桥、中野高架桥等，并把这类桥型结构的应用范围由最初的简支梁发展到连续梁、连续刚构，斜拉桥乃至拱桥，截面由等截面到变截面。国外的工程实践证明，波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥是一种经济、高效、耐久、施工简便的新型桥梁结构，具有重大的工程应用价值。与传统的预应力混凝土箱梁桥比较，一般认为具有以下几方面的优点：( 1 ) 经济效益显著，抗震性能好：采用波纹钢腹板代替混凝土腹板，上部结构自重大约可以减轻2 0 - 3 0 ，从而使上、下部结构的工程量减少，降低工程总造价。由于较轻的上部结构及波纹钢腹板的褶皱效应，箱梁的抗震性能得到改善。( 2 ) 结构受力合理、提高材料的利用率：波纹

26、钢腹板预应力混凝土箱梁桥中的混凝土主要在顶、底板处，回转半径几乎增加到最大值，提高了截面的结构效率；受力时混凝土抗弯，波纹钢腹板抗剪，弯矩与剪力分别由混凝土顶底板和波纹钢腹板承担，腹板内的剪应力接近于等值分布，有利于充分发挥材料性能；采用体外预应力承受活载，即使长期运营后出现体外索磨损或断裂的情况，还可以对其进行调整更换，恢复承载力或提高承载力以适应运营需求，从而提高桥梁的使用寿命。( 3 ) 施工方便、缩短工期：主梁自重减轻，悬臂施工时，可减少节段数量，缩短工期；波纹钢腹板在悬臂浇筑时可用作挂篮的组成部分、顶推施工时可作为导梁、现浇时可省略腹板模板，从而使施工方便、加快施工进度，缩短工期。(

27、 4 ) 节能环保、造型美观：波纹钢腹板的应用可节省桥梁混凝土的用量、增加钢结构的应用，节能环保，波纹钢腹板组合箱梁具有较强的立体感，外形美观。波纹钢腹板预应力混凝土箱梁具有上述诸多优点，但与普通混凝土腹板箱梁相比，其抗扭刚度与横向抗弯刚度都有所减小，不仅要在支座处设置横隔板，同时也要在跨径内适当布置横隔板。该种结构在应用初期，由于波纹钢腹板的制作需要专门的轧制设备，图1 1 波纹钢腹板预应力混凝土箱粱桥的整体构造波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥可用于简支梁、连续梁、连续刚构的梁式桥，也可用于斜拉桥、部分斜拉桥乃至拱桥。波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的设计方法与通常的P C 桥设计方法基本一样。设计

28、中应该考虑以下几点：由于用波纹钢腹板代替了混凝土腹板，腹板内无法设置预应力钢束；混凝土顶底板要与普通箱梁一样设置体内预应力束，箱梁内部还要加设体外预应力束。波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的适用跨径与普通的P C 桥的适用跨径相当，只是由于主梁自重的减轻，他的适用跨径可能比普通的预2长安大学硕士学位论文应力混凝土箱梁桥要大一些。1 2 2 主梁1 ) 梁高在设计波纹钢腹板梁的时候，应当根据跨度及波纹钢腹板的制作、施工的难易、波纹钢板的运输条件等因素，来选取梁高。我国预应力混凝土连续梁( 刚构) 桥墩顶处高跨比通常取1 1 6 7 1 1 8 8 ，跨中处高跨比取1 3 5 1 5 8 ，与混凝土箱

29、梁相比，波纹钢腹板箱梁墩顶上的高跨比相差不多，跨中的高跨比比较大，据此来提高体外索的偏心量。波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥在立面上的布置与混凝土箱梁桥大致相同，其腹板高度沿纵向的变化有直线、曲线和折线三种变化形式。当采用等高截面时，在不多增加自重的情况下，能够增大跨中截面的高度，提高体外索的偏心量，腹板的加工和混凝土的施工会相对容易。法国的C o g n a c 桥和日本的松木七号桥采用的是等高截面，其最大跨径为4 3 O m 和4 5 5 m ，当跨径更大时就要考虑变截面量，即折线或曲线变化【1 1 。c ) 曲线变化1I婆堡塑堕堡I；厂 ；I等高腹板I图1 2 箱粱高度变化形式表1 1 部分

30、波纹钢腹板组合箱粱桥立面布置实例预应力钢筋布波形钢腹底缘梁高高跨比桥名最大跨径置形式板种类形式墩上跨中墩上跨中C o g n a c 桥全部体外束普通等高4 3 02 2 51 1 9 1M a u p r e 桥全部体外束普通等高5 3 5 53 01 1 7 9D o l e 桥体内外索并用普通曲线8 0 05 52 5l 1 4 51 3 2 0新开桥体内外索并用普通等高3 0 O1 91 1 5 8松木七号桥体内外索并用耐候等高4 5 53 01 1 5 2本谷桥体内外索并用普通曲线9 7 26 42 51 1 5 21 3 8 92 ) 混凝土项、底板波纹钢腹板预应力混凝土箱梁混凝土

31、顶、底板厚度应根据纵向和横向预应力布置情3( 2 ) 模压法图1 4 波纹钢腹板的制作钢材的冷弯加工会降低钢韧性，加工时的弯折处内侧半径宜大于板厚的1 5 倍，当不4长安大学硕士学位论文能达到要求时，应保证钢材应有的冲击韧性的吸收能量值，并控制氮元素含量，内侧半径可做成板厚的7 倍或5 倍以上【2 】。波纹钢腹板的主要几何参数为板厚f ，平板长度口，斜板投影长度C ，斜板长度b ，波纹钢腹板高度及波高h ，波长，。表1 2 列出国内外部分桥梁波纹钢腹板的几何参数。图1 4 波纹钢腹板的几何参数表1 2 国内外部分桥梁波纹钢腹板的几何参数最大跨径腹板厚度( m m )波纹钢腹板，。何参数( m

32、m )腹板高度( m m )桥名( m )f m i n，m “口bCJ l l w m i n w C o g n a c 桥4 383 5 33 1 93 5 31 5 01 7 7 lM a u p r e 桥5 3 5 582 8 42 4 12 8 41 5 03 1 6 0D o l e 桥8 081 24 3 03 7 04 3 02 2 01 8 0 04 0 1 0新开桥3 092 5 02 0 02 5 01 5 01 4 2 3松木7 号桥4 5 581 23 0 02 6 03 0 01 5 02 2 l O本谷桥9 7 291 43 3 02 7 03 3 02 0

33、01 0 2 55 0 9 5锅田高架桥9 1 592 83 4 01 6 02 2 61 6 01 9 2 4中子泽桥4 8 581 23 0 02 6 03 0 01 5 01 1 4 22 0 6 0小河内川桥7 7 891 64 3 03 7 04 3 02 2 01 5 1 82 9 6 8小犬丸川桥8 191 64 3 03 7 04 3 02 2 01 5 8 03 6 0 0前谷桥8 4 391 24 3 03 7 04 3 02 2 02 0 8 06 0 0 0胜手川桥9 6 591 24 3 03 7 04 3 02 2 02 0 8 05 3 0 0西锅田高架桥1 2

34、51 62 24 3 03 7 04 3 02 2 01 8 5 84 6 0 4大内山川桥1 2 092 24 3 03 7 04 3 02 2 01 7 9 04 8 1 0中野高架一桥8 2 491 93 3 02 7 03 3 02 0 01 0 1 03 1 0 0中野高架二桥8 31 22 23 3 02 7 03 3 02 0 01 6 6 53 4 7 1下田桥1 3 6 51 21 64 3 03 7 04 3 02 2 01 1 4 05 3 6 0黑部川铁路桥7 21 22 54 0 03 5 04 0 32 0 02 5 0 03 4 0 0A l t w i p f

35、e r g r u n d1 1 51 02 23 6 02 8 83 6 02 1 61 6 3 32 6 7 4兴津川桥1 4 21 62 55 1 24 8 85 1 21 5 03 9 3 55 9 5 0白泽桥5 191 23 0 03 0 03 4 51 7 01 8 0 0日见桥1 8 092 84 3 03 7 04 3 02 2 02 0 0 0栗谷川桥9 591 64 3 03 7 04 3 02 2 02 0 8 04 5 0 0r第一章绪论最大跨径腹板厚度( m m )波纹钢腹板。何参数( m m )腹板高度( m m )桥名( m )i nf m 缸口bCkk鹤卷桥4

36、 71 21 63 3 52 6 53 3 22 0 08 9 21 8 8 7栗东桥1 7 092 04 3 03 7 04 3 02 2 02 9 1 25 4 9 9矢作川桥2 3 5l l1 94 3 03 7 04 3 02 2 02 4 5 04 1 0 0谷川桥5 0 91 0l O3 2 52 7 53 4 51 7 01 6 3 32 6 7 4白岩桥8 692 24 3 03 7 04 3 02 2 01 3 5 03 7 5 0第二上品野桥8 11 22 24 3 03 7 04 3 02 2 01 3 6 93 1 5 0安家4 号桥5 5 81 21 43 3 02

37、7 03 3 02 0 01 1 4 32 2 3 4游乐部川桥1 0 2 51 21 64 3 03 7 04 3 02 2 02 0 0 05 0 5 0温海川桥6 2 - 391 64 3 03 7 04 3 02 2 02 2 9 3门崎桥5 01 21 63 3 02 7 03 3 02 0 07 2 81 7 6 9长谷川桥9 2l l1 84 3 03 7 04 3 02 2 01 0 3 03 4 5 0长井1 1 号桥7 291 24 3 03 7 04 3 02 2 01 7 2 03 5 5 0中津屋桥8 1 191 64 3 03 7 04 3 02 2 01 4 9

38、33 3 8 5信乐第七桥8 991 24 3 03 7 04 3 02 2 01 9 7 04 3 2 7津久见川桥7 591 24 3 03 7 04 3 02 2 02 3 4 73 6 4 8澧田东第二桥9 4 191 64 3 03 7 04 3 02 2 02 2 5 04 6 6 6千代川桥1 1 5 392 24 3 03 7 04 3 02 2 03 5 3 44 0 8 4应内第二桥8 5l l2 24 3 03 7 04 3 02 2 02 2 4 42 9 4 4杉谷川桥8 791 94 3 03 7 04 3 02 2 08 5 43 3 1 0池山高架桥1 0 6

39、591 44 3 03 7 04 3 02 2 01 5 0 04 6 5 0桂岛高架桥5 491 64 3 03 7 04 3 02 2 03 5 6 1鬼怒川桥7 1 991 44 3 03 7 04 3 02 2 01 6 1 23 6 1 2国内部分桥梁波纹钢腹板几何参数最大跨径腹板厚度( m m )波纹钢腹板月。何参数( m m )腹板高度( m m )桥名( m )，皿I j n，口bCk| l z 淮安长征桥3 082 5 02 0 02 5 01 5 01 0 7 5光山泼河大桥3 082 5 02 0 02 5 01 5 01 3 0 5东营银座桥3 8 8 881 22 5

40、 02 0 02 5 01 5 08 0 81 3 7 0卫河桥5 481 23 3 02 7 03 3 02 0 01 0 0 01 3 5 0英峪沟2 号桥6 581 23 3 02 7 03 3 02 0 08 5 02 2 5 0鄄城黄河大桥1 2 01 01 84 3 03 7 04 3 02 2 01 7 2 94 2 5 3某3 01 63 3 02 7 03 3 02 0 01 4 4 0目前常用的三种波纹钢腹板形状如图1 5 所示。盟4 斗l 峭盟斗堡l 斗一塑L z 卜_ 型L 十里L + - L 十马llIIIIlIla ) l o o o 型t , ) 1 2 0 0

41、型, ：) 1 6 0 0 型图1 5 常用波纹钢腹板几何参数6长安大学硕士学位论文4 ) 横隔板为保证波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的抗扭刚度，应以合适的间距设置横隔板。横隔板的间距根据受力要求进行设置，并考虑体外预应力钢筋的布置情况，把箱梁的端横隔板作为锚固端，通过结构的中横隔板来实现转向。此外，折线形梁在底板折角处应设置横隔板。1 2 3 结构中的连接在波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥中存在三种连接构造：波纹钢腹板之间沿纵向的连接；波纹钢腹板与混凝土顶、底板的连接；波纹钢腹板与横隔板的连接。1 ) 波纹钢腹板间的连接波纹钢腹板之间的连接包括焊接和高强螺栓连接，如图1 6 所示。波纹钢板波纹钢板a

42、 ) 坡1 2 1 焊缝b ) 贴角焊缝c ) 高强度螺栓单面摩擦型d ) 卷边后高强度螺栓单面摩擦壅e ) 高强度螺栓双面摩擦型图1 6 波纹钢腹板之间的连接表1 3 给出几种连接方式在石桥中的应用。表1 3 波纹钢腹板间连接实例连接方式连接形式接头形式实例角焊缝搭接C o g n a c 桥，M a u p r e 桥，D o l e 桥，中子泽桥，西锅田高架桥等现场焊接对接焊缝对接新开桥，锅田高架桥单面摩擦搭接本谷桥，小河内川桥，前谷桥，胜手川桥，中野高架一桥高强螺栓翼缘松木7 号桥，白泽桥双面摩擦对接A l t w i p f e r g r u n d 桥2 ) 波纹钢腹板与顶底板的

43、连接1 1 i为了确保桥梁纵向水平剪力能够有效地传递，以及箱梁横截面各部分构成一体共同承担荷载，波纹钢腹板与混凝土项底板的连接方式大致有2 种，即腹板上下端焊接翼缘7连接方式有翼缘型和嵌入型两种。翼缘型连接是在波纹钢腹板的边缘焊接翼缘板，在翼缘板上焊接开孔钢板或开孔角钢( 图1 9 a ，6 ) ；嵌入型连接是将波纹钢腹板端部伸入端横隔板内，并在伸入部分腹板上开圆孔或配置焊钉连接件( 图1 1 0 ) 。口) 带有开孔钢板连接件的情况6 ) 带有型钢连接件的情况图1 9 翼缘型连接8长安大学硕士学位论文融10 010 010 0墨在腹板嵌入部分上开孔孔口) 在腹板嵌入部分上开孔的情况6 ) 带

44、有焊钉连接件的情况图1 1 0 嵌入型连接( 2 ) 波纹钢腹板与中横隔板的连接波纹钢腹板与中横隔板的连接方式和其与端横隔板的连接方式类似，可根据实际情况酌情选用。1 2 4 预应力束布置方式波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥一般采用体内预应力钢筋及体外预应力钢筋混合配筋形式，自重、施工荷载及二期恒载等永久荷载宜由体内预应力钢筋承担，车辆荷载等可变荷载宜由体外预应力钢筋承担。在桥台后通常设有张拉室，且与箱梁贯通，便于体外预应力束的检查、维修及更换或添加。图1 1 1 为体外预应力配束方式。碜必r 、1N 图1 1 1 体外预应力的布置1 3 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的施工波纹钢腹板预应力混凝土箱

45、梁桥视桥型不同可采用类似于混凝土箱梁桥相似的施工方法，如支架现浇施工、移动模架逐孔现浇、预制安装、悬臂浇筑、悬臂拼装、顶推施工等，在施工中应特别注意：波纹钢腹板的安装与拼接；体外索的施工；波纹钢腹板可在安装中作临时承重结构【2 1 。9图1 1 2 悬臂施工法R a P c o n R W I 法1 0长安大学硕士学位论文( 3 ) 顶推施工波纹钢腹板P C 箱梁桥的顶推施工如P C 箱梁桥梁的项推施工一样，适用于等高箱梁，跨度为4 0 - 一6 0 m ，日本岛畸川桥为等高波纹钢腹板P C 箱梁桥，最大跨径5 6 m ，借助波纹钢腹板作导梁用顶推施工法完成，导梁顶推位置后可作为最前一跨混凝顶

46、底板的浇筑模板。1 4 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的研究现状1 4 1 抗弯性能研究1 9 9 3 年E l g a a l y 和制作了6 片钢翼缘波纹钢腹板缩尺模型梁进行抗弯试验，采用了不同的波纹形状和不同的材料。在三分点处以不同速率加载到破坏。试验简图如图1 1 3 。所示。用有限元分析软件A B A Q U S 对加载过程进行了全过程模拟分析，有限元模型如图1 1 4 所示，分析结果与试验结果吻合很好。波纹钢腹板梁在纯弯曲情况下的应力和破坏特征得到了非常有价值的结论，6 根模型梁的破坏均是由于上翼缘的首先屈服，最终导致腹板的屈曲破坏。实测应力表明，弯矩几乎完全由上、下翼缘承担，而波纹钢

47、腹板在抵抗弯矩方面基本不起作用。他们通过有限元对各个参数进行分析表明，波纹钢腹板的不同翼缘与腹板厚度比、翼缘与腹板屈服应力比、不同波纹形状以及不同应力应变关系对波纹钢腹板梁的破坏特征无明显影响，同时也进一步验证了腹板基本上不抵抗弯矩的结论睁5 1 。豁。、1 9 9 9 年，加拿大学者E I M e t a l l y 做了5 根波纹钢腹板预应力混凝土梁的模型试验，试验梁尺寸的选取遵循如下的原则：梁的相对尺寸和跨高比与实桥基本一致；采取“I ”型梁，波纹形状采用三角形。试验结果显示：弯曲破坏荷载比剪切破坏荷载峰值大5 1 5 ；腹板对抗弯承载力的贡献可以忽略不计；弯矩和剪力不发生相互作用【6

48、】。图1 1 3 模型梁试验简图( 单位；英寸)图1 1 4 波纹钢腹板有限元模型1 9 9 4 年，瑞典学者R L u o 和B E d l u n d 等人采用大型有限元分析软件A B A Q U S 对波纹钢腹板工字梁的极限承载力进行了研究【7 锕。为了保证破坏是由钢腹板开始，翼缘板板外预应力简支梁抗弯时，可以忽略波纹钢腹板的抗弯作用；受拉区普通钢筋对梁的破坏形态和工作性能有着重要影响，可以通过调整普通钢筋的用量，使预应力钢筋充分发挥效率【1 1 1 。2 0 0 5 年，东南大学吴文清，叶见曙等人【1 2 】根据波纹钢腹板组合箱梁模型试验测量的应变数据和空间有限元计算结果，假设顶底板翼

49、缘板混凝土的纵向正应变在弹性阶段符1 2长安大学硕士学位论文合“拟平截面假定，忽略波形钢腹板的抗弯贡献，以此假定计算的翼板弯曲应力值和有限元法计算结果也是吻合的。“拟平截面假定 为波形钢腹板一混凝土组合箱梁的弯曲应力计算及抗弯承载力计算在理论上提供了必要的变形协调条件。东南大学万水和陈建兵等人对波纹钢腹板体外预应力箱梁模型梁的抗弯性能进行了理论分析与试验研究。分析了波纹钢腹板的褶皱效应及波纹钢腹板体外预应力箱梁的弯曲应力计算模式。讨论了在跨中截面单点对称荷载作用下，波纹钢腹板和上下混凝土翼缘板的纵向正应力分布规律、组合箱梁的变形及裂缝分布规律。得到以下结论：在抗弯设计时可忽略波纹钢腹板的作用，

50、只考虑上、下混凝土板的作用；在弹性范围内，组合箱梁的挠度值与荷载呈线性关系；波纹钢腹板在轴力作用下，轴向变性很大，在加载中的纵向应变接近于零，波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥的上、下缘的平均应变符合“平截面假定”1 1 2 q 4 。长安大学朱万勇基于波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁的抗弯特性，对该类桥的抗弯承载能力计算方法进行了探讨。综述了波纹钢腹板组合箱梁的有效分布宽度、偏载效应的已有研究成果，参考国外对该类桥型中体外预应力筋的有效高度和极限应力取值，根据弯曲理论推导出波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥抗弯承载能力计算公式【1 5 1 。湖南大学刘志才，李立峰等基于截面弯曲正应变分布的拟平截面假定

51、及截面的轴力弯矩曲率( N M 呻) 关系，考虑了材料非线性、体外索与梁的应变不协调、体外索的二次效应等影响，并编制了体外预应力波形钢腹板组合箱梁受弯全过程非线性分析程序。结合试验梁的全过程加载试验结果，研究表明：以混凝土开裂和受拉区普通钢筋屈服为分界点，体外预应力波形钢腹板组合箱梁受弯破坏全过程可分为明显的三个阶段：弹性阶段、开裂阶段、塑性阶段；体外索的二次效应对组合箱梁抗弯承载力影响较大，可通过设置跨中横隔板或转向块以减小其影响【1 6 】。1 4 2 抗剪性能研究早在2 0 世纪2 0 年代，B e r g m a n n 和R e i s s n e r 基于弹性理论将矩形波纹钢板看作

52、在两个垂直方向上具有不同抗弯刚度的正交异性板，推出了波纹钢板单位长度的剪切屈曲荷载。1 9 6 0 年，美国的P e t e r s o n 教授开始了波纹板梁的抗剪性能研究。随后，R o t h w e l l ( 1 9 6 8 ) 、L i b o v e ( 1 9 7 5 ，1 9 7 7 ) 、E a s l e y ( 1 9 7 5 ) 以及英国的H a r r i s o n 、匈牙利的K o r a s h y 和V a r g a ( 1 9 7 9 ) 、瑞典的B e r g f e l t 和L e i v a - A r a v e n a ( 1 9 8 4 )

53、、德国的L i n d e r 和A s c h i n g e r ( 1 9 8 8 ) ，S c h e e r ( 1 9 9 1 )等人也加入了这一研究群体。E a s l e y 等人在二十世纪六十年代基于弹性理论对波纹钢板1 3第一章绪论的局部屈曲和整体屈曲建立了较为完善的计算公式，不过这时波纹钢板仅用在作为只承受剪力的房屋建筑的屋顶构件。1 9 9 3 年H a m i l t o n 用四种不同的厚度和波纹形状的2 1 根钢梁，做了4 2 次试验，并且其试验梁全部采用单面连续焊缝。试验得出结论：波纹钢板梁的波纹越稠密，梁越容易发生整体剪切屈曲破坏。随后，E l g a a l

54、 y 和H a m i l t o n 对H a m i l t o n 的试验数据进行了分析研究0 7 - 1 9 】。研究结果表明：波纹钢腹板梁的剪力完全由腹板承担，而且钢腹板是由于屈曲造成破坏的，当波纹较密时，由整体屈曲强度控制；当波纹较疏时，由局部屈曲强度控制；而在屈曲过程中，又有可能伴随着相关屈曲。此结论也能与他们进行的非线性有限元分析结果较好的吻合。1 9 9 5 年，瑞典学者R L u o 和B E d l u n d 等人【2 0 五1 1 对波纹钢腹板的剪切屈曲强度进行了非线性有限元分析，对比分析了波纹钢板的几何尺寸对波纹钢腹板梁抗剪承载能力的影响。分析计算中考虑了大变形的影

55、响，同时引入了材料的理想弹塑性模型，并遵循米塞斯屈服准则。分析结果表明：波纹钢腹板的几何参数既影响梁的剪切极限承载力和梁的后屈曲性能，还影响梁的屈曲模态。腹板的屈曲强度随腹板厚度、弯折角的增大而提高；波纹钢腹板的子板宽度越小，腹板屈曲强度越大。1 9 9 7 年，英国皇家工程院院士R P J o h n s o n 教授对波纹钢腹板的三种屈曲强度分别进行了研究，尤其研究了局部的屈曲后承载能力，并推导出其计算公式。考虑到波纹钢腹板可能发生的较小侧向挠度使得临界屈曲剪应力有所降低，R P J o h n s o n 在计算波纹钢腹板剪切强度时，通过计入屈曲折减系数毛的方法来考虑剪切屈曲对抗剪强度的

56、影响瞄】，此方法得到法国V I N C I 公司认同。2 0 0 2 年美国学者H H A b b a s 和G R o b e r t 之5 】等人分析比较了前人关于梯形波纹钢腹板工字梁的试验的成果，包括1 9 8 8 年L i n d e r 和A s c h i n g e r 总结的德国、瑞士、芬兰和秘鲁的2 5 次试验成果及其它2 0 次试验成果，1 9 9 6 年E l g a a l y 等人发表的4 2 次试验结果，共8 7次。得到如下结论：理论屈曲应力的计算公式在很多情况下过高估计了波纹钢板的剪切屈曲强度。为此R o b e r tG D r i v e r 等人制作了两片足

57、尺波纹钢腹板钢梁验证 A b b a s 等人的结论，并给出了建议采用的屈曲应力计算公式。2 0 0 3 年美 D r e x e l 大学的X i a oB o W a n g 2 6 】进行了带有内填混凝土矩形翼缘板的波纹钢腹板梁的模型试验，其试验结果与有限元分析结果能较好的吻合。他还对波纹钢板的几何参数进行了有限元分析，主要分析了波纹钢腹板的平钢板长度、波折角、腹板厚度、宽厚比等对结构剪切屈曲强度的影响。1 4长安大学硕士学位论文1 9 8 6 年燕山大学首次轧制了整体正弦曲线形波纹钢腹板工字形梁，并对波纹钢腹板屈曲强度进行了研究。研究结果表明：波纹钢腹板工字形梁的屈曲强度是平钢腹板的1

58、 5 - 2 倍。随后，张文志【2 7 】等人对波纹钢腹板工字形梁的受力性能进行了一系列的研究，给出了均布荷载作用下波纹钢腹板工字形梁的极限承载力计算表达式。2 0 0 1 年清华大学土木工程系的李时和郭彦林【2 8 1 基于非线性有限元结构分析方法，应用有限元计算软件A N S Y S 对波纹钢腹板梁在剪力作用下的破坏机理及基本性质进行了分析，分析中考虑了大变形与初始几何缺陷。分析结果表明波纹钢腹板梁的抗剪极限承载力明显优于普通工字钢梁。重庆交通科研设计院的王福敏和周长晓等通过对波纹数量不等的波纹钢板在轴向力作用下的稳定性( 包括局部屈曲和整体屈曲) 和失稳载荷试验分析，探讨了波形钢板的承载

59、能力及发生失稳的规律。结果表明，波形钢腹板的失稳是突然发生的，局部失稳引起整体失稳，从而造成破坏【2 9 】。2 0 0 3 年哈尔滨工业大学的宋建永采用小挠度线性理论，研究了波纹钢腹板在剪切荷载作用下的局部屈曲和整体屈曲模态，详细推导了其在剪切荷载作用下的临界屈曲剪力( 剪应力) 的计算表达式。并通过空间有限元方法分析波纹钢腹板的非线性剪切屈曲模式及极限荷载，并将有限元分析结果与按小挠度线性理论的分析结果进行对比分析。结合试验资料，对波纹钢腹板剪切屈曲强度的计算方法进行了探讨分析，并对波纹钢腹板剪切屈曲极限荷载的影响因素进行了参数分析【3 0 1 。j ：2 0 0 7 年，长安大学周绪红教

60、授通过1 6 组波纹钢腹板剪切屈曲试验，提出将波纹钢腹板看作均匀剪力作用下的钢板条简支在两个弯折点时的屈曲较为符合实际情况，而把边界条件看作四边固支时，计算结果偏大。大部分实验的屈曲破坏是非弹性范围内的屈曲破坏，对于非弹性范围内的局部屈曲强度计算，其理论计算过程非常复杂，通常采用经验公式。并以R H a m i l t o n 做的试验数据为依据，采用二次多项式进行波纹钢腹板局部屈曲强度 t C r 的回归分析，得到半理论半经验公式【3 l 】。1 4 3 抗扭性能研究1 9 9 0 年J L i n d n e r 在柏林技术大学研究德国钢结构设计准则D A S t R i c h t l