波形钢腹板箱梁桥设计验算方法介绍
2010-07-22
波形钢腹板箱梁在国外的应用已比较广泛，尤其是日本和法国。我国对这类结构的研究还处于起步阶段，设计理论和设计方法都不成熟，还没有成熟的设计验算方法。将波形钢腹板应用于实桥的工程很少，目前仅有河南光山县的泼河大桥、江苏淮安的长征桥、重庆大堰河桥、宁波甬新河桥。
为推广这类结构在国内的应用，参考国内外已有的设计、验算资料，对波形钢腹板箱梁桥在设计过程中需要验算的部位、内容和方法进行介绍，为工程设计人员提供参考和借鉴。
1.结构验算内容与方法
1.1 验算对象与内容 波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的上部结构由混凝土桥面板和波形钢腹板组成，根据结构的受力特性，弯矩和轴向力由混凝土桥面板承受，剪力由波形钢腹板承受，扭矩由两者共同承受。
在波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的设计中需要对安全性和使用性等性能进行验算分析，以保证结构的可靠性。验算的主要位置有：①梁结构在顺桥方向的验算，即对结构弯曲状态下的安全性验算；②波形钢腹板剪切验算；③钢和混凝土结合部验算；④混凝土桥面板的验算。对于波形钢腹板箱梁结构，钢腹板的剪切失稳和钢混结合部的抗剪能力是研究得主要对象。另外，基本验算项目为弯曲和剪切。
在使用性能验算中，由于公路桥梁恒载比例大，结构刚度大，行车、噪音、振动对结构影响很小，可以忽略。但是波形钢腹板和混凝土桥面板的结合部在使用极限状态下产生错位会影响结构变形，需要对结合部在行车状况下进行验算。
本文着重介绍结构达到安全性要求的设计验算过程、验算方法、验算指标，具体参见表1，并介绍波形钢腹板剪切验算方法。
1.2 验算方法
1.2.1 安全性验算 结构在满足安全性能的条件下需要进行如表1的验算。对于公路桥梁，由于活载引起的振动、疲劳较小，基本上可以忽略这些因素，但是当波形钢腹板之间采用新的焊接构造时，需要另行单独验算安全性。
波形钢腹板在桥轴向呈褶皱形状，已有研究表明轴向等效弹性模量是钢材实际弹性模量的几百分之，腹板基本上不能抵抗轴向力，抗弯设计时可以不考虑它的作用，只计入上、下混凝土翼板，波形钢腹板箱梁桥的弯曲计算。
波形钢腹板箱梁结构的抗扭刚度相比混凝土腹板箱梁桥要小，但是可以通过增加横隔板来克服这一缺陷，而且已有研究证实效果很明显[2-4]。
在对桥面板进行设计验算时，可以根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》4.1条中板的设计弯矩进行设计验算。由于波形钢腹板桥因腹板刚度比混凝土腹板桥要小，所以支承条件难以和混凝土腹板桥一样。根据本谷桥的设计研究表明，将简支板弯矩的90%作为设计弯矩可以满足结构的安全性需要[3，11]。
波形钢板的主要优势在于它的抗剪切屈曲能力，与传统的平腹板相比，波形钢板的抗剪能力有很大的提高。在波形钢腹板箱梁桥这种组合结构中，梁的抗剪能力一般由波形钢腹板的剪切失稳控制，因此对波形钢板剪切失稳的验算是设计过程中的一个重点。研究表明波形腹板的失稳模式有局部失稳、整体失稳和耦合失稳三种[2，3，11]，下面给出三种屈曲形式的临界剪应力计算方法[1，3，11]：
(1)局部剪切失稳 局部失稳是指波形钢腹板在前后转折位置之间的平面钢板的失稳，弹性失稳强度用τecr，L表示，计算按简支钢板失稳强度计算。
(2)整体剪切失稳 整体失稳是指上下桥面板之间波形钢腹板整体发生失稳的现象，Easley将波形钢板的全部折板作为正交各向异性板。
(3)耦合剪切失稳 耦合失稳强度。
2.2.2安全系数 各验算项目的极限状态安全系数
①活载为主要变化荷载时的荷载修正系数为1.65
②材料系数
γc：混凝土材料系数；γr：钢筋材料系数；γs：钢材材料系数
③用于按混凝土强确定抗剪强度的计算
④用于按钢材强度确定抗剪强度的计算
2.结论
本文主要介绍了波形钢腹板箱梁桥设计验算对象和方法，可为工程设计人员提供参考和借鉴。
随着西部开发战略的实施，波形钢腹板的施工方便且美观的优点很适合西部多山区的状况；并且随着我国钢产量的增加、波形钢腹板制作工艺的成熟以及理论研究工作的深入，波形钢腹板桥在我国会获得广泛的应用。
参考文献：
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