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波形鋼腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
摘 要 鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁在日本和歐美得到了廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)在于它充分利用了混凝土和鋼的材料特點(diǎn)。本文通過分析波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的構(gòu)造特征和力學(xué)特性，闡述了這種新型組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并介紹了國外的橋梁實(shí)例。關(guān)鍵詞 波形鋼腹板 預(yù)應(yīng)力混凝土 組合結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
１ 引言
隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的日趨成熟和新型建筑材料的發(fā)展，許多國家的工程師都在對大跨徑橋梁的主梁輕型化問題進(jìn)行研究。在上世紀(jì)八十年代，法國首先設(shè)計(jì)并建造了以波形鋼腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型組合結(jié)構(gòu)橋梁－Ｃｏｇｎａｃ橋，其后又相繼建造了Ｍａｕｐｒｅ高架橋、Ａｓｔｅｒｉｘ橋和Ｄｏｌｅ等數(shù)座波形鋼腹板的組合結(jié)構(gòu)橋梁，該形式箱梁的典型結(jié)構(gòu)如圖１所示。自上世紀(jì)九十年代起，日本也對該類形式的橋梁進(jìn)行了研究，在參考法國同類橋梁的基礎(chǔ)上，先后修建了新開橋、本谷橋、松木七號橋等一系列橋梁，其中有連續(xù)梁橋，也有連續(xù)剛構(gòu)橋，拓寬了其使用范圍，發(fā)展了設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。
波形鋼板即折疊的鋼板，具有較高的剪切屈曲強(qiáng)度，用它作為混凝土箱梁的腹板，不但充分滿足了腹板的力學(xué)性能要求，而且大幅度減輕了主梁自重，縮減了包括基礎(chǔ)在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)所承受的上部恒載，還省去了施工時(shí)在腹板中布置鋼筋、設(shè)置模板等繁雜的工作。此外，波形鋼板縱向伸縮自由的特點(diǎn)使得其幾乎不抵抗軸向力，能更有效地對混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力，提高了預(yù)應(yīng)力效率。這種組合結(jié)構(gòu)能減少工程量、縮短工期、降低成本，在施工性能和經(jīng)濟(jì)性能方面都具有很大的吸引力。
２ 設(shè)計(jì)方法
當(dāng)橋梁上部采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣，其設(shè)計(jì)需要針對施工和使用階段的不同要求。施工階段的計(jì)算要結(jié)合具體的施工形式，比如，連續(xù)梁橋可以采用懸臂施工、頂推法施工或其它的方法，主要的計(jì)算荷載有自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土不同齡期的收縮徐變、施工荷載等。使用階段則要考慮汽車荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等。箱梁內(nèi)通常同時(shí)設(shè)置體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力，由混凝土頂板和底板內(nèi)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力抵抗施工荷載和恒載，箱內(nèi)的體外預(yù)應(yīng)力用來抵抗活載。這樣考慮的原因之一，是為了滿足更換體外預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)結(jié)構(gòu)的受力要求。
２．１ 縱向抗彎計(jì)算
波形鋼腹板在軸向力的作用下，軸向變形很大，表現(xiàn)出來的等效彈性模量很小。波形鋼板在縱向的等效彈性模量和板厚、波紋形狀有關(guān)，可由下式計(jì)算
�。牛溅粒�(ｔ／ｈ)２（１）
式中，Ｅｘ為等效軸向彈性模量；Ｅ為鋼材的彈性模量；ｔ為鋼板厚度；α為波紋的形狀系數(shù)。根據(jù)此式，日本新開橋Ｅｘ＝Ｅ／６１７。已進(jìn)行的模型實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)波形鋼腹板在受彎時(shí)縱向正應(yīng)力、正應(yīng)變很小，可以忽略，即在進(jìn)行截面抗彎設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮混凝土頂板和底板的作用，并近似的認(rèn)為混凝土頂板和底板內(nèi)的縱向正應(yīng)變符合線性分布規(guī)律，仍然按照平截面假定計(jì)算應(yīng)力、布置預(yù)應(yīng)力鋼束。
２．２ 抗扭計(jì)算
箱梁在偏心荷載作用下，截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在混凝土腹板箱梁中，扭轉(zhuǎn)的影響并不大，但在波形鋼腹板箱梁中，由于腹板的彎曲剛度和混凝土頂板、底板相比小得多，這對截面扭轉(zhuǎn)變形的影響顯著增大，會(huì)在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力。到目前為止，關(guān)于波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算還沒有明確的結(jié)論。通過對建成的該類橋梁的技術(shù)總結(jié)和研究，日本工程師上平等人提出了一種計(jì)算其抗扭剛度的方法(２) 式中，Ｊｔ為抗扭剛度；Ａｍ為箱梁的橫截面面積；ｂ１為箱體的寬度；ｈ１為波形鋼腹板的高度；ｎｓ為鋼材和混凝土剪切模量的比值；ｔ為構(gòu)件的厚度；α為修正系數(shù)(３)實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，鑒于截面扭轉(zhuǎn)剛度和橫隔板布置有密切關(guān)系，在不過于增加主梁自重的前提下，適當(dāng)增加橫隔板數(shù)量并調(diào)整間距可以有效的保證箱梁抗扭剛度。
２．３ 波形鋼腹板的應(yīng)力計(jì)算
波形鋼腹板主要承受剪應(yīng)力。在設(shè)計(jì)中可以偏保守地假定結(jié)構(gòu)所有的剪應(yīng)力
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