CN103821076A - 波形钢腹板组合曲梁计算模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种波形钢腹板组合曲梁计算模型，所述计算模型的横截面为单室单箱，所述计算模型的顶板宽是8m，底板宽为4m，梁高是2m，所述波形钢腹板与上下混凝土板相垂直，并且通过连接件进行稳固，所述上下混凝土板均使用的是8束预应力钢绞线。本发明通过提出一种新的波形钢腹板组合曲梁计算模型，能够精确的计算出波形钢腹板组合曲梁中的动力数值，更便于波形钢腹板组合曲梁力学性能的参数研究。

Description

波形钢腹板组合曲梁计算模型

技术领域：

本发明涉及一种波形钢腹板组合曲梁计算模型，其属于桥梁技术研究领域。

背景技术：

波形钢腹板组合曲梁桥，拥有曲线梁桥和波形钢腹板箱形梁桥两者的特点，由于其结构的复杂性，弯曲和扭矩同时存在于组合结构中，会发生多种变形，如约束扭转、箱形截面畸变等等。利用腹板承受相同剪力这一等效原则，分析波形钢腹板组合曲梁与混凝土曲梁偏心荷载下的弯扭耦合现象。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容：

本发明提供一种波形钢腹板组合曲梁计算模型，其能够精确的计算出波形钢腹板组合曲梁中的动力数值。

本发明采用如下技术方案：一种波形钢腹板组合曲梁计算模型，所述计算模型的横截面为单室单箱，所述计算模型的顶板宽是8m,底板宽为4m,梁高是2m，所述波形钢腹板与上下混凝土板相垂直，并且通过连接件进行稳固，所述上下混凝土板均使用的是8束预应力钢绞线。

进一步地，所述上下混凝土板采用C40型号，所述波形钢腹板使用的是Q345c级16Mn钢板，通过弯折压制成型，所述预应力钢束使用的为M15一9型，钢绞线使用的是标准强度1860MPa的低松弛钢绞线，所述钢绞线的直径为15.24mm。

进一步地，所述波形钢腹板组合曲梁的腹板采用波形钢板用以提高腹板的剪力。

本发明具有如下有益效果：本发明通过提出一种新的波形钢腹板组合曲梁计算模型，能够精确的计算出波形钢腹板组合曲梁中的动力数值，更便于波形钢腹板组合曲梁力学性能的参数研究。

附图说明：

图1为等效模型图。

图2为对称加载的跨中挠度云图。

图3为活载引起的竖向挠度。

图4为偏载跨中挠度云图。

具体实施方式：

请参照图1至图4所示，本发明波形钢腹板组合曲梁中曲桥与直桥的区别在于它是服从曲线布置，横截面为单室单箱，它的顶板宽是8m,底板宽为4m,梁高是2m，波形钢腹板与上下混凝土板相垂直，并且通过连接件进行稳固。上下混凝土板均使用的是8束预应力钢绞线。波形钢腹板的形状及尺寸要求是由实际工程的结构特点，现场拼装，运输能力，经济要求，景观要求等条件来制作。上下混凝土板采用C40型号；波形钢腹板使用的是Q345c级16Mn钢板，通过弯折压制成型；预应力钢束使用的为M15一9型，钢绞线使用的是其标准强度1860MPa的低松弛钢绞线，它的直径为15.24mm。

本发明波形钢腹板组合曲梁的最大特点就是腹板采用的是波形钢板，传统的曲线桥用的是混凝土腹板，而腹板主要用于承受剪力。因此，可将波形钢腹板组合曲梁看成宽翼缘的工字型梁座落在曲线上，近似的计算方案中横截面的剪应力：

$\mathrm{\τ}=\frac{Q}{\mathrm{It}}[\frac{b}{2}\·(\frac{h^2}{4}-\frac{{h_1}^2}{4})+\frac{t}{2}\·(\frac{{h_1}^2}{4}-y^2)]---(4-1)$

令y=0,则最大剪应力为： ${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{Q}{\mathrm{It}}[\frac{{\mathrm{bh}}^2}{8}-\frac{{{\mathrm{bh}}_1}^2}{8}+\frac{{{\mathrm{th}}_1}^2}{8}]---(4-2)$

令 $y=\±\frac{h_1}{2},$ 则最小剪应力为： ${\mathrm{\τ}}_{\min }=\frac{Q}{\mathrm{It}}[\frac{{\mathrm{bh}}^2}{8}-\frac{{{\mathrm{bh}}_1}^2}{8}]---(4-3)$

式中:I为截面的惯性矩，h₁为腹板高度，y为腹板任意处位置,Q为截面的所受的剪力，b为翼板宽度，t为腹板厚度，h为截面高度。

在设计数值模型方案时，为了尽可能的发挥材料的最大性能，因此在做等效时，两者均达到允许设计值。根据这一等效原则，利用有限元分析软件Ansys，从而建立等效分析模型。

波形钢腹板组合曲线箱梁是一种薄壁结构，它在偏心荷载作用下，将会发生多种变形，如刚性扭转，弯曲变形以及截面畸变。那么相应的变形就会在曲梁的横断面上产生相应的应力，如扭转和畸变剪应力，翘曲正应力，横向弯曲正应力等。一般情况下，结构的横向弯曲正应力和剪应力均能满足设计要求，在此不作介绍。但是结构的翘曲正应力却是需要考虑的重点问题。波形钢腹板组合曲梁相较于传统混凝土腹板曲梁来说，它的抗扭及抗畸变刚度都较小，因此或许引发横截面上的弯曲正应力与翘曲正应力的比值较小。

下面通过对翘曲正应力的对比，分析波形钢腹板组合曲梁和传统等效混凝土曲梁这两类箱梁的扭转特性。偏心荷载作用下，结构的弯曲正应力为σ_g，对称荷载作用下，结构的弯曲正应力为σ_M，那么由畸变和约束扭转所产生的纵向翘曲正应力σ_ω可以表示为：

σ_ω＝σ_g-σ_M   （4—4）

由式(4一4)求得的底板角点的翘曲正应力，也就是曲梁跨中断面的最大翘曲正应力。详见表4-1及4-2.

表4-1波形钢腹板组合曲梁的翘曲正应力

注表中应力单位为MPa.

表4-2等效混凝土曲梁的翘曲正应

注表中应力单位为MPa.

由表4-1的各项数据分析，可以知道，对称弯曲正应力与纵向翘曲正应力的比值大概是3.8，如果加上考虑恒载作用，这一比例会适当的提高，然而在总的荷载效应中，因畸变和扭转变形所产生的纵向翘曲正应力仍占有很重要的比例，那么翘曲正应力在波箱钢腹板组合曲桥桥梁设计计算中无法忽略。

由表4-1和4-2分析对比可以得出，波形钢腹板组合曲线箱梁的纵向翘曲正应力无论是在总荷载效应中所占的比例还是在数值上，都明显大于等效传统混凝土腹板曲线箱梁结构。表明:畸变和扭转变形在波形钢腹板组合曲线弯箱梁中必须予以充分考虑。

梁的挠度是反映结构刚度的重要指标之一，它的大小反映了整个结构的刚度情况。

1）对称加载，在曲桥跨中中心位置加载180KN。选取曲线箱梁底板中线的位置，那么活载所引起的竖向挠度在对称活载作用下，两类曲线箱梁的竖向挠度随着离跨中位置的距离越来越近，波形钢腹板曲线箱梁竖向挠度明显大于传统等效混凝土曲线箱梁竖向挠度，大概是其1.25倍左右。形成这一情况的原因是由于波形钢腹板为褶皱形状，使组合结构整体具有三维柔性，主梁受弯时，便可以忽略波形钢腹板的作用，只考虑顶、底板混凝土的作用，也就是说仅仅用上、下混凝土板来抵抗弯矩。

本方案数值模型为集中荷载，在加载进程中会出现应力集中的现象。由圣唯南原理，选择距加载位置有一定距离的有限单元，整理数据并对其进行分析对比，这样可以更好的表达出该组合结构的受力性能。

根据图中所示，可以看出：径向挠度的不同是由于弯曲效应的影响，弯桥外侧挠度偏大，内侧挠度偏小。

2)偏载加载，距曲桥的跨中中心4m处(弯桥外侧)，即波形钢腹板处，加载180KN。选取曲线箱梁混凝土底板荷载作用位置的对应节点处。

偏心活载作用下，波形钢腹板组合曲梁和传统等效混凝土曲梁这两类箱梁的竖向挠度随着离跨中位置的距离越来越近波形钢腹板组合曲线箱梁竖向挠度显著大于等效传统混凝土曲线箱梁竖向挠度，在跨中位置约为其竖向挠度的1.67倍。与对称载情况相比，波纹钢腹板组合曲线箱梁竖向挠度有显著的增加，原因在与偏载作用下，箱梁挠度受扭转效应的影响进一步的加强了。

径向挠度的不同是受弯曲效应的影响，弯桥外侧挠度偏大，而内侧偏小。与对称加载相比，外测挠度与内测挠度差值明显增大是由于偏载效应的作用。这就可以说明，在偏载作用下，曲线箱梁的扭转效应加强了。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种波形钢腹板组合曲梁计算模型，所述计算模型的横截面为单室单箱，所述计算模型的顶板宽是8m,底板宽为4m,梁高是2m，其特征在于：所述波形钢腹板与上下混凝土板相垂直，并且通过连接件进行稳固，所述上下混凝土板均使用的是8束预应力钢绞线。

2.如权利要求1所述的波形钢腹板组合曲梁计算模型，其特征在于：所述上下混凝土板采用C40型号，所述波形钢腹板使用的是Q345c级16Mn钢板，通过弯折压制成型，所述预应力钢束使用的为M15一9型，钢绞线使用的是标准强度1860MPa的低松弛钢绞线，所述钢绞线的直径为15.24mm。

3.如权利要求2所述的波形钢腹板组合曲梁计算模型，其特征在于：所述波形钢腹板组合曲梁的腹板采用波形钢板用以提高腹板的剪力。

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