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波形钢腹板PC组合箱梁研究现状


波形钢腹板 PC 组合箱梁研究现状
张东升 1 付建新 2
(1 南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 210009; 2 南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 210009)
摘要: 介绍了波形钢腹板 PC 组合箱梁的结构特点, 国内外对波形钢腹板 PC 组合箱梁性能的研究,包括: 抗弯性能,抗剪性能,剪滞效应,预应力导入效率,徐变的影响,疲劳

,扭转。最后建议波形钢腹板 PC 组 合箱梁需进一步研究的内容。 关键词: 钢腹板 结构特点 抗弯 抗剪 徐变

Actuality of the PC composite box girder with corrugated steel webs
ZHANG Dongsheng1,FU Jianxin2
(1. College of Civil Engineer,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China; 2. College of Civil Engineer,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China) Abstract:The structure characteristics of the PC composite box girder with corrugated steel webs,performance study of the PC composite box girder with corrugated steel webs in china and abroad.Include:bending resistance,resisting shear,efficiency of pretress,influence of creep,fatigue, retortion.The further research on the PC composite box girder with corrugated steel webs was suggested. Keywords:steel corrugated web; structure character; bending resistance; resisting shear; creep.

波形钢腹板预应力混凝土(PC)组合箱梁是一种新型的钢—预应力混凝土组合结构, 它用波形钢腹板替代传统箱梁的混凝土腹板, 减轻了梁体自重, 避免了混凝土箱形梁腹板的 开裂问题; 预应力筋采用混凝土顶底板体内筋和箱内体外筋结合的方式, 由于波形钢腹板不 抵抗轴向力,因此,能有效地将预应力施加混凝土顶板和底板上,同时波形钢腹板对箱梁顶 板和底板由于徐变和干燥收缩所产生的变形不产生约束作用,避免了由此引起的预应力损 失。且波形钢腹板PC 组合箱梁结构具有较好的经济效益。

1 波纹钢腹板PC组合箱梁抗弯性能

胡娟[1]采用能量变分法原理对此结构进行理论分析, 并对试验梁进行算例分析。认为: 1) 该类梁的弯曲特性可采用梁理论中的“平截面假定”来描述。2) 能量变分法在波纹钢腹板 组合箱梁中同样适用。3) 在研究波纹钢腹板组合箱梁的弯曲性能, 可以忽略钢腹板刚度的 影响。4) 在弹性范围内, 波纹钢腹板组合箱梁的挠度值与荷载增长呈线性关系。 程德林[2]对波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁进行了理论分析和试验研究,并采用空 间有限元分析方法详细的探讨了该种结构的抗弯力学特性,得到以下结论:(1)波纹钢腹板 预应力混凝土组合箱梁在底板钢筋屈服后还有较强的承载能力。(2)在整个加载过程中,波 纹钢腹板未出现屈曲破坏,说明波纹钢腹板屈曲稳定性完全能够满足要求,可靠性高。(3) 空间有限元分析结果和模型试验均表明:简支状态下波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁在对 称和偏心荷载作用下,其上、下翼板均出现了典型的剪力滞效应。 李立峰等[3] 针对其抗弯承载能力问题展开研究,利用FORTRAN 语言编制了体外预 应力波形钢腹板简支组合箱梁受弯全过程分析程序, 并完成了一根梁的弯曲破坏试验, 得出 结论(1) 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3 个阶段:弹性阶段、开裂阶段、塑性阶段。(2) 试验结果和理论分析 均表明:弹性阶段和塑性阶段的弯曲正应变分布满足拟平截面假定。(3) 结构抗弯承载能力 计算中可以不考虑剪切变形的影响。 狄谨等[4]对简支状态的预应力混凝土平钢腹板组合箱梁、波纹钢腹板组合箱梁进行有 限元分析得出波纹钢腹板箱梁的腹板所承担的剪力占全截面的94. 77%,所以认为剪力仅由 腹板来承担。

2 波形钢腹板PC组合箱梁的剪滞效应
箱梁腹板和翼板交接处的应力比较突出[5],从而导致不安全,许多桥梁专家指出原因 是设计中没有认真对待“剪滞效应”,因此导致应力过分集中造成桥梁的失稳和局部破坏。 反映出剪力滞的影响是不可忽视的 .蒋学强[6]通过分析波形钢腹板PC 组合箱梁与混凝土箱 梁跨中截面的剪滞效应,得出结论:波形钢腹板箱梁顶板的剪滞效应较严重,底板的剪滞效 应较轻, 比混凝土箱梁的剪滞效应要严重, 以腹板与顶板、 底板交界处的剪滞效应最为严重。

3 波形钢腹板 PC 组合梁抗剪性能
周绪红,敬麒麟等[7,8]着重研究波纹钢腹板组合箱梁桥的抗剪受力性能。 得出波纹钢腹板 预应力组合箱梁桥在试验荷载作用下混凝土顶板和底板承担了绝大部分弯矩, 而波纹钢腹板 主要承担剪力,且剪应力沿波纹板高度均匀分布;在偏心荷载作用下,波纹钢腹板会产生较

大的附加剪应力,而由此产生的剪切变形对模型梁挠度的影响较大。 波纹钢腹板的主要优势,来源于它极强的抗剪屈曲能力。Elgaaly[9]实验分析表明:梁 中的剪力完全由腹板承担梁的抗剪承载力由腹板的屈曲强度控制。 而波纹钢腹板的抗剪强度 主要与腹板的厚度、高度、几何形状、材料特性及初始几何缺陷有关。陈吉娜等[10]分析得 出波纹钢腹板具有极强的抗剪能力,可使梁的用钢量和焊接工作量减少。 胡华万[11,12]等对波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁剪切屈曲性能进行了研究, 主要有 以下成果: (1)忽略波形钢腹板的纵向抗弯作用,弯矩仅由混凝土顶底板构成的断面抵抗。 (2)剪力完全由波形钢腹板承担,且剪应力在腹板上作均匀分布。(3)其现有考虑塑性影 响的理论公式其计算结果都偏大,故不适合做定量计算,只适合做定性分析。(4)其极限 屈曲应力基本与材料的抗屈服强度接近,但由于桥梁设计中对稳定的安全系数要求相对较 高,故仍是屈曲强度决定截面的抗剪承载力。

4 波形钢腹板PC组合梁疲劳性能
曹玉玲[13]通过对国内外组合梁的疲劳性能的研究状况的总结归纳, 可得如下结论: (1) 影响普通钢-混凝土组合梁疲劳性能的因素主要有: 混凝土材料类型和强度等级、 连接件类 型、剪力连接程度、横向配筋等等。(2)钢-混凝土组合梁的疲劳强度取决于其组成材料。 周绪红,林新元等[14]在对国外波纹钢腹板组合箱梁的疲劳试验研究成果进行总结分析 的基础上, 进行3片波纹钢腹板组合箱梁的疲劳试验研究。得出结论:( 1) 采用静力法使构 件破坏, 其破坏形态为弯曲破坏。( 2) 波纹钢腹板组合箱梁混凝土顶、底板及波纹钢腹板的 刚度在疲劳荷载作用下呈下降趋势, 但下降不明显, 不足以对梁的受力产生明显影响。 ( 3) 随 着疲劳加载次数的增加,疲劳残余挠度逐渐加大,波纹钢腹板组合箱梁截面刚度逐渐减小。 ( 4) 对波纹钢腹板组合箱梁采用基于平截面假定的承载能力计算方法是可行的。

5 波形钢腹板对箱梁预应力效率
王圣保[15]以有限元为手段,通过改变波形钢腹板几何参数,研究其对波形钢腹板PC 组合梁预应力导入效率的影响。结果表明,对预应力导入效率影响最大的是波高h,其次是 波长L。t和H 对预应力导入效率影响几乎可以忽略不计,在波形钢腹板PC 箱梁设计中 可以不考虑二者的影响。

6 徐变对波纹钢腹板混凝土箱梁的影响
体外预应力波形钢腹板组合箱梁作为一种新型的钢-混凝土组合结构,对该结构徐变性 能的研究还很少。预应力混凝土组合箱梁中,混凝土的徐变不但引起预应力损失,而且还将

会导致梁体挠度的不断发展。李立峰,王芳等[16]制作了2根波形钢腹板预应力组合箱梁,得 出结论: 1) 体外预应力波形钢腹板组合箱梁由于采用纵向能自由伸缩的波形钢板作为腹板, 对顶板、底板混凝土约束作用小,因而对其徐变的约束也较小.;2) 波形钢腹板的倾角对该 组合箱梁的徐变特性几乎无影响;混凝土标号对组合箱梁徐变特性的影响较大;3) 在相同 应力水平的前提下, 相对普通混凝土箱梁而言, 波形钢腹板组合箱梁能有效减小由于长期徐 变引起的反拱。

7 波纹钢腹板 PC 组合箱梁的扭转
王兆勋[17]通过有限元的方法, 研究了横隔板数量对波形钢腹板PC 组合箱梁抗扭刚度的 影响。当梁高跨比较大时,增加横隔板数量,可以一定程度上提高梁的抗扭刚度。 李宏江等[18]以箱梁理论为基础,对波形钢腹板箱梁的扭转和畸变效应进行了分析,通 过约束扭转翘曲正应力与畸变翘曲正应力理论值的比较可以发现, 畸变翘曲正应力比约束扭 转翘曲正应力稍大,而在混凝土腹板箱梁中,畸变是产生翘曲正应力的主要原因,说明在波 形钢腹板箱梁中,约束扭转效应同样是不可忽略的重要因素。

8 结语
目前国外对波纹腹板的研究仍在继续,并且已积累了一定的实际工程经验。国内对这种 新结构的研究才刚刚起步,以下几方面还需进一步研究: 1) 极限状态下的体外索应力增量很大。 这一点与国内外体外预应力混凝土结构设计规范 规定的应力增量大小均有较大出入, 而这一点对结构抗弯承载能力影响很大, 究竟如何考虑 比较合适,这需要以后进一步研究。 2)需要对普通钢-混凝土组合梁的疲劳问题进行大量的理论分析和试验研究。 3)波纹钢腹板的初始弯曲、初始变形和初始残余应力对其抗剪能力的影响。 4)波纹板的合理波形,充分发挥其优越性,以显示其经济效益。比如折线型钢腹板,是 不是某些方面性能更有优势。

参考文献: [1]胡娟. 波纹钢腹板PC组合箱梁抗弯性能的理论分析[J]. 铁道建筑,2009(8):8-11. [2]程德林. 波纹钢腹板预应力混凝土组合梁抗弯性能研究[D].长安:长安大学,2007. [3] 李 立 峰 . 波 形 钢 腹 板 PC 组 合 箱 梁 抗 弯 承 载 力 的 理 论 与 试 验 研 究 [J]. 工 程 力 学 , 2009,26(7):89-95.

[4]狄谨,周绪红,张茜 . 预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁受力性能研究 [J]. 中外公路, 2007,27(3):79-83. [5]吴文清.波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应问题研究[D]. 南京:东南大学交通学院,2002. [6] 蒋学强 . 波形钢腹板 PC 组合箱梁的剪滞效应特性分析 [J]. 市政 · 交通 · 水利工程设计, 2009:77-80. [7]周绪红,孔祥福,侯健,程德林,狄谨. 波纹钢腹板组合箱梁的抗剪受力性能[J].中国公 路学报,2007,20(2):78-82. [8]敬麒麟. 波纹钢腹板箱梁的静力特性有限元分析[J].低温建筑技术,2010(7):31-32. [9]Elgaaly M , Hamilton R W,Seshadri A. Shear Strength of Beams with Corrugated Webs[J].Journal of Structures Engineering,1996,122(4):390-398. [10]陈吉娜,张志国,杨娟. 波纹钢腹板梁剪切受力特性分析[J]. 科研开发,2009(3). [11]胡华万. 波形钢腹板PC组合箱梁剪切屈曲性能研究[D]. 西南:西南交通大学,2006. [12]胡华万,李俊,强士中. 波形钢腹板PC 组合箱梁剪切屈曲性能研究[J]. 铁道工程学报, 2011,(2):81-83. [13]曹玉玲. 波形钢板组合梁疲劳性能研究进展[J]. 中国新技术新产品,2010:12-13. [14]周绪红,林新元,谭冬莲,逯文茹,杨丽. 波纹钢腹板组合箱梁疲劳试验[J]. 中国公路 学报,2010,23(4):33-38. [15]王圣保. 波形钢腹板对箱梁预应力效率的影响[J]. 钢结构,2011,(7). [16]李立峰,王芳,刘志才. 体外预应力波形钢腹板组合箱梁徐变性能研究[J]. 湖南大学学 报(自然科学版),2008,35(5):1-5. [17]王兆勋. 横隔板数量对波形钢腹板PC组合箱梁抗扭刚度的影响[J]. 黑 龙 江 交 通 科 技 , 2011,(6):125-126. [18]李宏江,叶见曙,万水,吴文清. 波形腹板箱梁的扭转与畸变分析及试验研究[J]. 桥梁 建设,2003, (6):1-4. 详细地址:江苏省南京市鼓楼区新模范马路30号 单位:南京工业大学土木学院 作者简介(姓名:张东升,性别:男、出生年:1987.07.10、籍贯:江苏扬州、职称:无、 学历:硕士在读、研究方向:土木工程结构方向,联系电话 13605140797 ,电子邮箱: love_sfkg@163.com) (姓名:付建新,联系电话 13675127323、性别:男、学历:硕士在读、籍贯:内蒙古)


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