兰州交通大学-波形钢腹板预应力混凝土(pc)箱梁受力性能研究

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1、波形钢腹板预应力混凝土（PC）箱梁受力性能研究——动力特性分析设计者：吴焕庆，马志贵，柴永飞，马朝旭指导老师：冀伟，王立，林梦凯（兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070）摘要：目前波形钢腹板箱梁桥的动力学研究主要以简支箱梁为主，对连续箱梁的研究很少。为此,本文设计制作了波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁的模型试验梁，并建立ANSYS有限元模型对其动力特性进行了计算和分析。为验证理论分析的正确性，采用DHDAS动态信号测试分析系统对其动力特性进行了实测，根据实测数据识别出各阶竖向弯曲振动的模态及振动频率。模型试验梁的有限元分析结果与实测结果的差别较小。因此，实际中采用本文的有限元建

2、模方法可以获得比较高的精度。本文同时还研究了不同位置的横隔板对波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁的动力特性的影响，分析结果表明，支座横隔板对箱梁动力特性的影响最大，而中横隔板基本不影响箱梁的动力特性。因此在实际中，可以适度减少中横隔板的数量，从而节约桥梁建设成本。关键词:组合箱梁；波形钢腹板；模型试验；动力特性0引言随着现代桥梁技术发展，桥梁的跨越能力达到了一个新的水平，同时由于大跨桥梁的恒载占了总荷载的很大比例，桥梁的自重成了约束其跨越能力的瓶颈。1975年，法国首先提出了用纵向可以自由伸缩的波形钢腹板代替混凝土腹板，其典型截面参见图1。采用这一结构有两大特点，一是可以使箱梁自重减轻

3、、恒载内力减少；二是由于波形钢腹板在轴向为折叠状，当受到轴向预压力作用时能自由压缩，因而对上、下混凝土板由于徐变和收缩而产生的变形约束较小，可对箱梁施加有效的体外预应力[1]。至今，各国已对波形钢腹板箱梁结构的静动力力学性能进行了大量的研究[2-13]，其中文献[10]通过静力抗弯刚度等效的原则，分别建立了波形钢腹板箱梁与普通混凝土腹板箱梁的计算模型,对比分析了二者的动力特性。文献[11]推导了波形钢腹板混凝土箱梁扭转振动的理论计算方法,并考虑了横隔板对箱梁扭转振动的影响，文献[12]对试验箱梁的动力特性进行计算和分析，依据其动力特性的特点制定试验方案，对其动力特性进行实测，分析结

4、果表明，波形钢腹板混凝土箱梁扭转刚度偏低，对此提出增设横隔板改善扭转动力特性的方案。文献[13]从结构的动力特性研究入手，通过改变不同结构断面形式、设置不同数量内横隔板，对结构动力特性的差异进行了比较分析。但是在这些研究中动力学方面的主要集中在简支梁的动力特性分析，对波形钢腹板连续箱梁的动力性能研究很少。为此,本文进行了波形钢腹板混凝土连续箱梁模型试验,并对连续状态的模型试验梁的有限元计算结果和实测结果进行了分析研究，研究成果可为工程设计及理论分析提供重要依据。1模型试验梁的设计与制作本文的模型试验梁是通过参考鄄城黄河公路特大桥、泼河大桥中跨中箱梁的设计以及国内外大量文献基础上制作

5、的。试验梁根据几何相似理论，按1：10的比例进行缩尺，波形钢腹板箱梁的模型设计尺寸见图2~图5。制作完成后的模型试验梁见图6所示。-6-图1典型构造示意图2模型试验梁基本尺寸(单位:mm)图3模型试验梁立面图(单位:mm)图4模型试验梁平面图(单位:mm)图5波形钢腹板构造示意图(单位:mm)图6制作完成的模型试验梁模型试验梁孔跨布置为300+300cm箱形连续梁，梁高35cm，箱梁顶板全宽135cm，箱底宽度65cm，两侧悬臂长度为35cm，波形钢腹板采用Q235钢，弹性模量210GPa，泊松比取为0.3，实测厚度为0.12cm，腹板高度为28.5cm-6-，共设3道支座横隔板和

6、4道中横隔板。体外预应力筋共2根，采用2根75、1860级钢铰线，其公称截面面积为139mm2，分为2批左右对称张拉,张拉力为160kN，预应力筋布置图见图7所示。为了获得预应力筋张拉完后的有效预应力，在试验梁的预应力筋的锚固位置分别布置了压力传感器，见图9所示。图7模型试验梁预应力筋布置图(单位:mm)图8模型试验梁预应力筋张拉图9压力传感器图10试验梁压力传感器的布置表1中预应力损失之后的有效预应力是指在做试验之前1小时通过布置的压力传感器所测的数值。表1模型试验梁的预应力筋的张拉值仪器编号预应力筋张拉力的值（kN）预应力损失之后的有效预应力（kN）20201160137.03

7、20202160133.3920204160132.8620205160130.102模型试验梁的有限元分析-6-有限元模型的建立采用ANSYS有限元分析软件，波形钢腹板箱梁的顶、底板均为钢筋混凝土结构，采用钢筋混凝土实体单元SOLID45来建模。划分单元时注意到使波形钢腹板每个节点与相应位置的混凝土单元节点重合，这样保证腹板粘接于混凝土中，这是两种材料共同工作的基本前提。腹板采用板壳单元SHELL63来模拟，在建模时注意波形钢腹板的波折线与顶、底板的波折线完全重合，