代岳龙　杜　松　郑和晖　王　敏

(中交第二航务工程局有限公司1)　武汉　430040)　(长大桥梁建设施工交通行业重点实验室2)　武汉　430040)



节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥偏载作用下扭转性能试验研究*

代岳龙1)杜松1,2)郑和晖2)王敏2)

(中交第二航务工程局有限公司1)武汉430040)(长大桥梁建设施工交通行业重点实验室2)武汉430040)

为研究节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁桥偏载作用下的扭转性能，通过4个缩尺试验模型试件及8个足尺数值模型试件，考察节段式箱梁在偏载作用下的挠度及应力发展规律，分析成型工艺、接缝数量、横隔板布置、波纹形状等参数对节段式箱梁扭转特性的影响.结果表明，相对于整体式梁，节段式梁偏载作用下的挠度增大效应可提高10%～15%；节段式箱梁因偏载引起的剪应力增大系数可达1.5倍，尤其需引起注意；成型工艺、横隔板布置对其扭转增大效应影响较大，而波高、接缝数量则影响较小.根据能量法提出考虑接缝影响的该类型桥梁抗扭刚度实用计算方法，同时给出了一些设计建议.

波形钢腹板箱梁；节段预制拼装桥梁；接缝；偏载作用；抗扭性能；试验研究

0　引　　言

近年来，波形钢腹板组合箱梁桥以其自重轻、预应力效率高、耐久性好、造型美观等特点在我国得到了大力推广[1].与常规混凝土箱梁相比，因波形钢腹板面内刚度小，波形钢腹板组合箱梁在偏载作用下的扭转和畸变效应更为明显.目前国内外学者对此已经开展了一些研究，包括偏载下的抗扭特性、弹性阶段应力及极限阶段抗扭承载力计算方法等，但都基于整体式梁[2-6].对于采用节段预制拼装技术进行施工的波形钢腹板组合箱梁[7]，其抗扭特性是否受节段间接缝、波腹板连接形式等影响还有待研究.

文中以采用节段预制拼装波形钢腹板组合结构箱梁桥为研究对象，选取关键设计参数制作了4片缩尺试验梁，考察偏心加载过程中节段拼装箱梁挠度及应力发展规律，并补充8片足尺数值模型梁，分析成型工艺、接缝数量、横隔板布置、波纹形状等对扭转特性的影响，提出考虑接缝影响的抗扭刚度实用计算方法.

1　试验基本情况

1.1试件类型

根据研究目的，确定的试验参数包括：成型工艺(整体及节段)、节段连接形式(栓接及焊接)、中横隔板数量(2和4)等.根据参数，制作4个试件，整体浇注1个，节段浇注3个，见表1.

表1　模型试件类型

1.2试验梁设计及制作

试验以我国公路桥梁3车道常用的箱形截面、梁长40～60 m的简支结构为原型.根据相似理论、试验精度要求及试验条件，取用1∶10的缩尺比，采用的钢材与原型相同(Q345)，小颗粒骨料混凝土近似与原型相同(C50).模型梁总长5 m，计算跨径为4.7 m，节段长度50～80 cm.截面形式为单箱单室，具体构造见图1.波腹板板厚为2.5 mm，弯折角度37°，波高25 mm.梁体内预应力采用体内体外混合配束形式，预应力施加水平应保证加载过程中底板下缘始终不出现拉应力，其中体外预应力通过转向块形成双折线布置.节段式模型梁采用长线匹配法预制成型，即分2次间断浇筑混凝土顶底板，波腹板则一次连接成型固定于模板上.

图1　模型梁构造示意(单位：cm)

1.3试验梁加载与测试

试验梁加载分偏心与对称2种工况，均在弹性阶段内进行，荷载以集中力形式作用于梁体三分点处；测试内容包括梁体竖向及侧向挠度、波形钢腹板应变、顶底板混凝土应变等，见图2～图3.

图2　试件加载及测点布置

图3　试验实施情况

1.4试验梁分析模型的建立

采用有限元程序ANSYS建立试验梁三维分析模型(见图4)，一方面为校核试验结果；另一方面可修正并确定节段梁接缝计算参数取值.混凝土顶底板、波形钢腹板、预应力钢束分布采用solid45、shell63、link8单元模拟，波形钢腹板与顶底板采用共节点刚接处理.对于节段式梁，接缝处的内力传递采用接触单元(targe170和conta174)模拟，并考虑接触面之间的摩擦.在参考其他计算经验基础上[8]，通过与试验结果对比不断试算，确定法向接触刚度因子FKN、剪切刚度因子FKT、接触面摩擦系数等.模型加载分对称和偏心两种工况，计算梁体关键截面处挠度、应力等.

图4　试验梁三维分析模型

2　试验结果及分析

2.1试验梁竖向挠度

图5a)为节段梁试件J-05在对称和偏心荷载作用下加载点处荷载-挠度曲线.在相同荷载等级下，加载点竖向挠度(理论及实测值)在2种工况下有明显不同，表明箱梁在偏心荷载作用下发生了刚性扭转.将偏载作用下的竖向挠度扣除对称作用下的相应值，即为扭转所产生的附加挠度，该附加挠度与对称荷载作用下的弯曲挠度比值被定义为增大效应.图5b)为4个试件的竖向挠度增大效应实测值及理论值，对比发现：(1)相对于整体式梁，节段式梁因扭转所产生的挠度增大效应更加明显(节段式梁挠度增大值为1.15～1.3倍，整体式梁增大值为1.05～1.14倍)，主要原因在于节段式梁混凝土顶底板干接缝界面在扭矩作用下存在微小错动变形；(2)波形钢腹板节段间采用栓接或焊接连接形式对扭转挠度增大效应基本无影响；(3)横隔板数量的增加可以有效降低扭转挠度增大系数.

图5　试验梁竖向挠度测试及分析结果

2.2试验梁顶底板纵向应变

图6a)，b)为整体梁与节段梁在两种荷载工况下的底板纵向应变发展情况.可以看出，在偏载作用下，箱梁顶底板纵向将产生弯曲应变和扭转畸变应变，将偏心工况下的应变扣除对称工况下的应变即可得纵向翘曲应变.图6c)，d)给出了不同试件顶底板翘曲应变与弯曲应变之比.可以看出，整体式梁翘曲应变为弯曲应变的5%～10%，节段式梁翘曲应变为弯曲应变的5%～20%；随着中横隔板数量增加，翘曲应变占比弯曲应变有所下降，表明横隔板能有效抑制箱梁框架变形.

图6　试验梁顶底板纵向应变测试及分析结果

2.3试验梁波形钢腹板扭转剪应力

图7a)为节段梁J-04在两种荷载工况下的波形钢腹板剪应力随荷载发展情况.在偏载作用下，波形钢腹板将产生弯曲剪应力和扭转剪应力.同样地，将偏心荷载作用下的剪应力减去对称荷载作用下的剪应力，即得到附加剪应力.图7b)为不同试件附加剪应力与弯曲剪应力之比.整体式梁附加剪应力为弯曲剪应力的15%～25%；节段式梁附加剪应力为弯曲剪应力的25%～45%，区别在于节段梁接缝处波形钢腹板承担了截面更多剪力，这也说明对于节段式梁偏载引起的附加剪应力需引起重视.

图7　试验梁腹板剪应力测试及分析结果

3　参数影响分析

3.1参数选取及模型建立

为使上述模型梁试验结论更具有合理性和实用性，建立50 m跨径节段预制拼装波形钢腹板简支箱梁桥有限元模型.根据研究目的，选取成型工艺、接缝数量、波纹形状(波高)和中横隔板数量4个参数，补充设计了8个数值模型，对该类型桥梁偏载作用下的抗扭性能进行数值试验研究.

表2为不同数值模型的参数，图8为有限元模型.根据前述数值分析与试验数据的校核结果，确定有限元模型中接缝计算参数如下：法向接触刚度因子FKN=1.0，剪切刚度因子FKT=0.1，接触面摩擦系数取为0.8.

表2　抗扭分析模型参数表

图8　试验梁三维分析模型

3.2影响因素分析

1) 成型工艺图9为不同截面处整体式和节段式梁因扭转所产生的附加效应(挠度增大、翘曲正应力、附加剪应力等)分析结果.可以看出：(1) 偏载下整体式梁挠度约为对称情况的1.12倍，而节段式梁为1.18倍，节段式梁因接缝的存在其扭转增大效应更明显，这与缩尺模型试验结果相吻合；(2) 应力增大方面也表现出同样的规律，且与试验结果吻合较好，例如偏载作用所产生附加剪应力为弯曲剪应力的50%左右.

图9　不同成型工艺下扭转增大效应对比

2) 接缝数量根据50 m跨箱梁桥常规节段划分，分析11，13，以及15条接缝数量对箱梁扭转附加效应的影响.图10则给出了不同截面处3个试件因扭转所产生的附加效应(挠度增大、翘曲正应力、附加剪应力等)分析结果.箱梁在偏心荷载作用下除竖向挠度增大系数随着接缝数量增加而增大外，其余应力附加比例均无明显变化.

图10　不同接缝数量下扭转增大效应对比

3) 钢腹板波纹形状图11为不同截面处采用3种波形的试件因扭转所产生的附加效应(挠度增大、翘曲正应力、附加剪应力等)分析结果.腹板波纹形状对箱梁扭转附加效应基本无影响，例如，竖向挠度增大系数均为1.2倍；波腹板剪应力均放大至1.6倍等.

图11　不同波形下扭转增大效应对比

4) 中横隔板数量图12为不同截面处采用3种横隔板布置的试件因扭转所产生的附加效应(挠度增大、翘曲正应力、附加剪应力等)分析结果.随着中横隔板数量的增加，箱梁竖向挠度及顶底板正应力因扭转产生的增大效应减少，而波腹板剪应力放大效应则基本不受影响.需要注意到的是，横隔板数量从2道增加至4道，箱梁竖向挠度及顶底板正应力增大效应未出现明显变化.对比分析箱梁不同位置处可知，增加横隔板数量更能改善跨中截面扭转受力性能.

图12　不同中横隔板数量下扭转增大效应对比

4　节段预制拼装波腹板桥梁抗扭刚度的实用计算方法

目前，对波形钢腹板组合箱梁的扭转计算主要集中在内力，对抗扭刚度计算关注较少.尽管通过试验研究和数值分析可得到扭转刚度，但过程较为复杂.为此，提出一种考虑接缝折减的节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥扭转刚度实用算法.

波形钢腹板箱梁是典型的薄壁构件，可从能量守恒的角度研究箱梁的扭转，即外力做功与箱梁本身应变能相等.设所受扭矩为T，扭转角为dθ=θ′dz，扭率为θ′、扭转产生的剪应力为τ，剪应变为γ，则：

(1)

(2)

已知刚性扭转刚度K=T/θ′，同时引用日本学者关于本谷桥的试验研究成果，对波形钢腹板和混凝土顶底板乘以调整系数1+α、1-α，其中α=0.4H/b-0.06.则

(3)

式中：Am为箱形面积；b为箱室宽度(不含翼缘板)；H为箱梁顶底板中心距；Gs和Gc为钢材、混凝土剪切弹性模量；t1/t2为混凝土顶板、底板的厚度；t3/t4为波形钢腹板厚度

节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥的扭转刚度经过接缝折减系数进行调整，即

(4)

式中：μθ为抗扭刚度接缝折减系数，根据前述模型试验及理论分析结果，相对于整体式梁，节段式梁因扭转所产生的挠度增大系数偏大10%～15%，且与接缝数量、横隔板布置相关.为此，建议该系数μθ取值为0.85～0.90，接缝数量多且横隔板布置较少可取较小值，反之则可取较大值.

5　结　　论

1) 相对于整体式波形钢腹板组合箱梁，节段式梁由于混凝土顶底板干接缝界面存在微小错动变形，因扭转效应所产生的挠度和应力增大效应均有所提高；节段式梁挠度增大系数随着接缝数量的增加而增加，约为为整体式梁的10～15%；节段式梁因接缝处波腹板承剪比例大，偏载作用下所产生的附加剪应力可达弯曲剪应力的50%以上，需引起足够注意.

2) 采用经模型试验修正后的干接缝模拟方法，选取关键参数和50 m跨径实桥进行影响因素分析，结果表明，成型工艺、横隔板布置对箱梁挠度及应力增大效应影响较大，波形、接缝数量则影响较小.

3) 根据能量法和试验分析结果，提出了一种节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁桥抗扭刚度实用计算方法，并给出了考虑接缝的折减系数取值.

4) 对于节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁桥，宜适当增加横隔板布置和波形钢腹板板厚等，提高箱梁抗扭刚度，有效控制结构应力水平.

本试验及分析主要针对节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁桥弹性阶段的抗扭受力性能，揭示了挠度及应力增大规律.为推广应用该新型结构，还需就抗扭承载力、偏载系数设计方法等方面开展进一步的研究.

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Experimental Study on Torsional Behavior of Precast Segmental Box Girders Bridge with Corrugated Steel Webs under Eccentric Loading

DAI Yuelong1)DU Song1,2)ZHENG Hehui2)WANG Min2)

(CCCCSecondharborengineeringcompanyLTD.,Wuhan430040,China)1)(KeyLabofLarge-spanBridgeConstructionTechnology,MinistryofCommunication,Wuhan430040,China)2)

In order to study the torsional behavior of precast segmental box girders bridge with corrugated steel webs under eccentric loading, four 1:10 scaled models of segmental beam are manufactured for the first time, and eight full-scale FEA model are built considering the joint between segments. Deflection and stress variations in the segmental box girder under elastic stage are investigated. The influence of key parameters to torsional behavior, such as, forming processes, number of joints, layout of diaphragm, web shape, is analyzed. The results show that the torsional enlargement effect of deflection can improve more than 10%～15% in segmental beam, compared to monolithic beam. The torsional enlargement effect of shear stress, which can be increased by 1.5 times due to the eccentric load, must be taken seriously consideration for segmental beam. The forming processes and layout of diaphragm have significant influence to torsional enlargement effect, while the numbers of joints and web shape have little influence to it. Finally, based on the energy method, a practical calculation method considering the joint, for the torsional stiffness of this bridge is proposed, and some design suggestions are given.

box girders bridge with corrugated steel web; precast segmental bridge; joint; eccentric loading; torsional behavior; experimental study

2016-05-24

U448.21

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.020

代岳龙(1987- )：男，工程师，主要研究领域为桥梁工程建设及技术管理

*交通部应用基础研究项目资助(201431949A230)