1、天津大學網絡教育學院專科畢業論文題目：波形鋼腹板箱梁結構及基本力學性能分析完成期限： 2017 年 1 月 5 日 至 2017 年 4 月 30 日學習中心： 選擇一項。 專業名稱： 選擇一項。 學生姓名： 學生學號： 指導教師：天津大學網絡教育學院專科畢業論文波形鋼腹板箱梁結構及基本力學性能分析摘要波形鋼腹板PC組合箱梁是一種新型的鋼-混凝土組合結構形式，傳統的 預應力混凝土箱梁橋相比還是與加勁的平鋼腹板 PC箱梁橋相比，它在結構性能、 減少工程量、縮短工期以及降低成本等方面具有很大的優勢。 本文首先介紹了波 形鋼腹板PC組合箱梁的結構特點，然后分析了這種結構的基本力學性能，包括 腹板縱向

2、剛度，彎曲及破壞特點，剪應力分布特征及剪切剛度，扭轉特性及抗彎 性能。關鍵詞：橋梁工程；波形鋼腹板；結構體系；力學性能0前言波形鋼腹板PC組合箱梁是一種新型的鋼-混凝土組合結構形式，混凝土集中 在了上、下翼緣板等力臂較大的區域，而中和軸附近力臂較小的區域采用了剛度 小重量輕的波形鋼板，充分利用了鋼和混凝土的性能，提高了材料的利用率，大 大減輕了箱梁的自重1-2。波形鋼腹板PC組合箱梁采用了箱內體外預應力技術， 便于橋梁的維修和補強。波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋與同跨度的高強預 應力混凝土橋相比可大大節約成本。波形鋼腹板 PC組合箱梁橋巧妙地結合鋼和混凝土，提高了結構的穩定性、強度及材料的使

3、用效 率，是一種值得推廣的新型橋梁結構形式。1結構體系及特點圖1波形鋼腹板PC組合箱梁結構示意圖目前建成的波形鋼腹板組合梁橋，主梁截面形式分為兩種：一種是箱形截面, 此時兩片波形腹板傾斜放置，另一種是工字形截面，此時一片波形腹板豎直放置。 而絕大多數波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋采用了箱形截面，即波形鋼腹板 PC組合箱梁。本節將以箱梁為例來介紹波形鋼腹板組合梁的結構構造特點。圖1所示為波形腹板組合箱梁的示意，由混凝土頂底板、波形鋼腹板、橫隔 板、體內外預應力鋼筋或鋼索以及轉向塊等構成。 通過采用波形形狀的鋼腹板形 成鋼板與混凝土的組合箱梁截面體系， 能夠更加有效地施加預應力。與預應力混 凝土箱

4、梁相比較，在混凝土腹板置換成波形鋼板后，箱梁整體的橫向剛度及其抗 扭剛度都不同程度的減小了，因此，對立面布置、體外索及其橫隔梁布置的要求 也不同程度地與混凝土箱梁不同。波形腹板組合箱梁橋與預應力混凝土箱梁橋比 較，兩者的結構體系并沒有很大的區別。在構造上最大的不同是用波形鋼腹板代 替混凝土腹板，用來減小上下混凝土翼緣板相互間約束、徐變、干燥收縮等的影響。2基本力學性能2.1腹板縱向彈性模量波形鋼腹板沿軸向的彈性模Ex的表達式為:(1)式中：E為鋼板的彈性模量；h為波形鋼腹板波的高度；t為波形鋼腹板波 的厚度；為波形鋼腹板鋼板的形狀系數。波形鋼腹板PC組合箱梁腹板在軸向預壓力作用時能自由伸縮，縱

5、向預應力 幾乎不再分散到腹板當中，波形鋼腹板對由上、下混凝土翼板的徐變、收縮產生 的變形將不再約束，從而避免了由于鋼腹板的約束作用而造成箱梁截面預應力損 失。波形鋼腹板縱向剛度非常小，可近似認為不抵抗截面的彎矩，當組合箱 梁承受豎向荷載時計算波形鋼腹板組合箱梁橋的抗彎慣矩時，可只計上、下翼緣的作用。2.2彎曲變形波形鋼腹板組合箱梁在豎向彎曲荷載作用的變形與普通混凝土箱梁的變形 有不同的特點，波形鋼腹板的縱向剛度很低，其限制上、下翼緣板的縱向變形的 能力很弱，上、下翼緣板的縱向變形幾乎不受腹板的影響，這樣使得上、下翼緣 板在體系的彎曲變形的同時還有沿其自身重心軸的縱向變形，如圖2所示，截面承受的

6、外荷載彎矩為 M(x)，在該彎矩作用下截面的整體撓度為3(X，截面轉角為3，(x)但由于腹板的縱向抗彎剛度很低，難以自抑制上下翼板自身的轉動， 上翼板的轉角為n (x)下翼板的轉角為p (x)上翼板的自身轉動彎矩為Mu(x)，下翼板的自身轉動彎矩為Md(x)，由上、下翼板的薄膜軸向力組成的轉動彎矩為 My(x)。圖2波形鋼腹板PC組合箱梁的縱向變形示意圖上、下翼緣板由波形腹板的連接，腹板的抗剪作用使得上、下翼緣板在豎向 撓曲變形基本一致，因此上下翼緣板的豎向撓曲曲率基本相同。 雖然翼緣板有沿 各自截面中心軸的縱向變形，但是變形在體系整體變形中被認為符合平截面假定。2.3剪應力分布特征及剪切剛度

7、2.3.1剪應力分布特征波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁受彎的同時， 還承受剪力。試驗表明波形 鋼腹板預應力混凝土組合箱梁的剪應力分布與混凝土腹板中的情況不同，沿腹板高基本呈等值分布，圖3和圖4分別為水口和之與佐藤幸一等所作的本谷橋模型 試驗以及實橋試驗中剪應力豎向分布圖。 由于豎向壓應力一般很小，鋼腹板中的 應力狀態一般視為純剪。圖3模型試驗L/4斷面剪應力分布圖4實橋試驗跨中斷面剪應力分布圖波形鋼腹板組合箱梁頂、底板所承受的剪力很小，可以忽略不計。Elgaaly等對波形鋼腹板鋼梁的試驗表明，橋梁中的剪力完全由波形腹板承擔。2.3.2剪切剛度波形鋼腹板PC組合箱梁翼緣板的剪切剛度很小，一般忽略

8、不計，僅考慮腹 板的剪切剛度。當平鋼板彎折成波形以后，其剪切剛度將降低，用下列公式計算：(2)式中：為鋼材剪切模量，為腹板的截面積，為剪切剛度修正系數，與波形無關，是波形腹板在橋梁縱向的長度與沿著縱向展平后的長度比，即：(3)式中：、分別為波形腹板平板長度、斜板沿橋跨方向投影長度、斜板 實際長度。2.4扭轉特性由于波形鋼腹板的縱向剛度非常小，波形鋼腹板PC混凝土組合箱梁橋的扭轉與傳統的混凝土箱梁或組合箱梁有很大的不同，如圖5所示：扭轉荷載剛性扭轉荷載畸變荷載(a) 混凝土腹板箱梁扭轉荷載分解扭轉荷載純扭轉荷載附加扭轉荷載扭翹荷載(b) 波形鋼腹板組合箱梁扭轉荷載分解圖5波形鋼腹板預應力混凝土組

9、合箱梁橋的扭轉特性在偏心荷載作用下，主梁截面將發生扭轉變形。由于混凝土腹板箱梁的剛度 較大，扭轉的影響較小，扭轉變形能很快地被截面上的橫向框架效應和板的面內 撓曲剛度所吸收。在波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁中，這一狀態也很相似， 但由于波形鋼腹板的彎曲剛度與上、下混凝土板相比小很多，因此斷面的扭轉變 形影響將會顯著增大，使混凝土板內產生較大的扭轉翹曲應力，這是不能忽略的。 另一方面，由于波形鋼腹板的縱向剛度非常小，因此限制畸變變形的畸變翹曲剛 度很弱，截面的畸變變形幾乎完全由上、下混凝土板來協調。2.5抗彎性能2.5.1波形鋼腹板PC組合箱梁抗彎優越性分析在彈性范圍內，梁截面的合理性主要取決于

10、截面彈性抵抗矩與其面積的比 值，該比值越大，截面越經濟合理。從沿截面高度上應力分布來考慮，可得出 這樣的結論：對于經濟的設計，梁的絕大部分材料應置于距中性軸盡可能遠的位 置處。對于受拉與受壓性能基本一致的材料，在給定橫截面面積和梁高的情況下， 將各一半面積分布于離中性軸距離1/2梁高處可獲得最大的抗彎剛度。混凝土腹 板箱梁的腹板離中性軸近，其正應變小，在面積相同的情況下對抗彎的貢獻就不 如頂底板了。用波形鋼板替代混凝土腹板后，用來抗彎的就只剩下翼緣板了，自 然就提高了。按極限荷載設計，在彈塑性范圍內考察截面的合理性時，可得出另一個結論： 不同截面經濟合理的程度主要取決于其塑性抵抗矩與彈性抵抗矩

11、的比值，即截面的形狀系數，越小，截面越經濟合理。因此，把截面面積中盡可能多的部分 布置在法向應力最大的邊緣區域，當截面進入彈-塑性階段時，就能使其最快的 發揮其塑性性能。矩形截面的形狀系數為1.5,寬翼緣薄腹板工字形截面的 較小，通常在1.101.20的范圍內。在極限荷載設計中，理想截面的形狀系數接近1.0。構成這種截面的原則是：以厚度不大的寬翼緣來承受截面的法向應力， 而以非常強勁的薄腹板來承擔截面的剪應力。 波形鋼腹板組合箱梁幾乎完美地體 現了這一原則。波形鋼腹板組合箱梁一般都采用預應力，常采用全體外索或者體內體外索并 用，現有實橋中二者大概各占一半。預應力混凝土梁抵抗外彎矩的機理與普通混 凝土梁不同：普通混凝土梁的抵抗彎矩，主要是由變化的鋼筋應力的合力與固定 的內力偶臂Z乘積形成；預應力混凝土梁，則是由基本不變的預應力和隨外荷 化而變化的內力偶臂Z乘積形成，Z的變化范圍越大，同等預應力下抵抗外彎距 的能力也越大。在保證上下