第１７卷第２期 ２０１５年４月 交通科技与经济 Ｖｏ１．１７，Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２０１５ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ ｉｎ Ａｒｅａｓ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 大跨径波形钢腹板ＰＣ箱型刚构桥横向分析 唐朋胜 ，朱珊莹 （１＿重庆市建设工程质量检验测试中心重庆４０１３３６；２．广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院广西南宁５３００２９） 摘要：箱型桥梁设计分析除进行整体分析外，还须进行横向分析。为确保波形钢腹板Ｐｃ箱型在各种荷载组合 作用下的横向安全性能，以框架分析法为理论基础，分别对顶、底板与腹板连接和顶、底板混凝土两方面的安全性 进行验算，得出横向分析方法，该方法对同类桥梁设计有一定的参考价值。 关键词：波形钢腹板；横向分析；框架分析法；安全性能 中图分类号：Ｕ４４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５６９６（２０１５）０２—００８３—０５ Ｌａｔｅｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅ－Ｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｂｏｘ—Ｇｉｒｄｅｒ Ｒｉｇｉｄ Ｆｒａｍｅ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｗｅｂｓ ＴＡＮＧ Ｐｅｎｇ－ｓｈｅｎｇ ，ＺＨＵ Ｓｈａｎ－ｙｉｎｇ２ （１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１３３６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｘｉ ｏｍｍｕｎｉＣｅａｔｌｏｎｇｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎｉｇ Ｉｎｓｔｉｎｕｔｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｘ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｇｌｏｂａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｌａｔｅｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｅｓｓｅｎｔｉａ１．Ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓａｆｅｔｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＰＣ Ｂｏｘ－ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｗｅｂｓ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｌｏａｄ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｒｏｌｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｗｅｒｅ ｔＷＯ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｃｈｅｃｋｉｎｇ， ｄｒａｗ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｌｌ ｂｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｗｅｂｓ；ｌａｔｅｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓａｆｅｔｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 波形钢腹板ＰＣ箱型桥梁有两方面特点：首先 以波形钢腹板取代常规的混凝土腹板，可以减轻 主梁自重，从而避免腹板开裂问题，减小跨中下 挠；其次波形钢腹板的褶皱效应，可以使主梁受力 时混凝土顶、底板承受弯矩，波形钢腹板承担剪 力。由于以上两种特点，该类桥型在桥梁工程中 被广泛运用。但是，由于箱型截面混凝土梁挖空 率较大，腹板间距较宽，较厚的混凝土腹板以较薄 的钢腹板代替，从而由活载（如汽车荷载）产生的 横向内力很大，所以必须对箱梁进行横向分析。 波形钢腹板ＰＣ箱型桥梁的横向分析包括顶、 方法对波形钢腹板箱型截面进行有限元理论分 析。文中重点对顶、底板连接件的安全性计算分 析进行详细叙述，对顶、底板混凝土的验算内容进 行简要介绍。 ｌ 工程背景及材料介绍 重庆某高速公路桥，设计为８５ ｍ＋１４８ ｍ＋８５ ｍ 三跨波形钢腹板ＰＣ箱型刚构桥，立面示意图如图１ 所示；左右幅分幅设置，单幅箱梁总宽１２ ｍ，采用单 箱单室箱型断面，细部构造图如图２所示。主梁根 部梁高为８．５ ｍ，跨中梁高为４．０ ｍ。波形钢腹板 采用１６００型形状，材料采用Ｑ３４５Ｄ级钢材。波形 底板连接件的安全性分析和顶、底板混凝土的验 算分析两部分。按活载产生最不利内力原则，本 钢腹板与顶、底板均采用横向钢筋贯穿波形钢腹板 的圆孔与带板相结合的埋人型连接方式，如图３ 所示。 文取四种汽车荷载布载方式，以常用的框架分析 收稿日期：２０１５－０１—２２ 作者简介：唐朋胜（１９８７一），男，硕士研究生，研究方向：桥梁检测 和设计． 主梁梁体采用Ｃ６０混凝土。横向分析只考虑 横向预应力钢筋，其纵向布置间距为０．８ ｍ，每束预 第２期 唐朋胜，等：大跨径波形钢腹板ＰＣ箱型刚构桥横向分析 ．８５． 道布置，桥梁防撞护栏横向宽５０ ｃｍ。汽车布置按 行分析，布置形式如表１所示。 结构出现最不利内力原则进行布置，取四个工况进 表１汽车荷载布置形式 该框架模型板宽取１．６ ｍ，按参考文献所述计 算车轮荷载有效分布宽度，得荷载有效集度，对于 作用在腹板附近的车轮荷载认为全部作用在所取 节段的桥面板上，各工况荷载集度取值如表２所示。 表２各工况荷载集度取值表 ｋＮ 横向分析时，连接件验算的计算内容为：１）混 凝土销的抗剪强度验算；２）波形钢腹板与连接件的 抗角隅弯矩验算；３）波形钢腹板板幅受压应力验 算。另外，验算荷载分为设计荷载作用和极限荷载 作用，限于篇幅本文只给出极限荷载作用下的验算 类容，涉及荷载作用其验算思路同极限荷载思路， 本文不再述。 ３．１．１．１混凝土销的抗剪强度验算 混凝土销的剪切破坏强度偏安全的只考虑波 腹板开孔形成混凝土销的抗剪承载能力，可按式 （１）、式（２）、式（３）验算 ２．２．３温度荷载 Ｐ—Ｍ ／（Ｈ６）， Ｒｕ一丌 ／２×１．１４￣７￣， （１） （２） 对于静定结构而言，结构的整体升温和整体降 温对内力的影响不大，本文只考虑箱梁室内外温差 荷载。两个工况取值如下：１）箱内温度比箱外温度 高１０℃；２）箱内温度比箱外温度低１Ｏ℃。 砌／Ｐ≥１． （３） 式中：Ｐ为极限荷载下产生的一个波长度竖向拉拔 力； 为极限荷载作用下波形钢板的最大角隅弯 矩（以下意义相同）；Ｈ为混凝土销横桥向间隔，一 般取波形钢腹板板幅；ｂ为横向分析模型的宽度（顶 板宽），ｂ一１．６ ｍ；Ｒｕ为极限荷载作用下连接件能 承受的一个波长度竖向拉拔力； 为混凝土销的直 径； 为混凝土的强度设计值。 ３横向分析计算方法和结果分析 ３．１顶、底板连接件的安全性计算分析 ３．１．１波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接件安 全性验算方法 组合梁桥的连接件安全系数的高低直接关系 到整个结构的使用性能和安全性能，对连接件进行 设计时必须保证其使用过程中的安全性。横向分 析时横向框架连接处将产生角隅弯矩，因此横向分 ３．１．１．２波形钢腹板与连接件的抗角隅弯矩验算 波形钢板承压按式（４）、式（５）验算 （６舰）／（ｂｈ ）≤ ． ＝＝＝（４） ［Ｏ．２５＋０．０５（Ａ／Ａ１）］ ． （５） 析时还必须对连接件的安全性进行验算。 式中： 为波形钢腹板的埋入深度； 为混凝土的 ・ ８６・ 交通科技与经济 第１７卷 容许承压应力； ３８．５ ＭＰａ。 为混凝土的设计基础强度，取 ３．１．２顶、底板连接件的验算结果及分析 横向分析中连接件的位置如图４所示；角隅弯 矩取四种工况下的最大值，相关验算结果按照验算 内容分别如表３、表４、表５所列。 （６ ３．１．１＿３波形钢腹板板幅受压应力验算 波形钢腹板板幅受压应力按式（６）验算 Ｐ ｆＡ ＋ＭＨ／Ｚ ≤，、 ． ＾，ｒ 式中：Ｐ 为极限荷载作用下钢板上的压缩力， Ｐ ＝＝＝ｌ百Ｖｌｕ； 』Ｉ 为一个波长波形钢腹板的截面面 积；乙为一个波长钢腹板截面的断面系数， 乙／Ｙ ； 为波形钢板断面惯性矩； 为波形钢板 外侧对中心线的距离； 为极限荷载作用时，钢腹 板的容许拉应力。 图４顶、底板连接件位置 表３剪力销抗拔力验算结果表 验算位置 最不利工况 Ｍｕ／ＭＰａ Ｐｕ／ｋＮ Ａｗ／ｍ２ Ｚｗ／ｍａ 钢板幅压应力／ＭＰａ ｆｓａ／ＭＰａ 安全系数 ３．２顶、底板混凝土安全性验算 混凝土的安全性进行验算。由于混凝土顶、底板的 顶、底板混凝土各截面安全性验算是波形钢腹 板ＰＣ箱梁横向分析的重要组成部分。以参考文献 安全性验算与普通箱型梁的方法相同，限于文章篇 幅未予示出验算结果。由表３、表４、表５可知，横向 的要求：顶板由于有横向预应力作用，按照Ａ类预 应力构件进行分析验算；底板为普通混凝土构件， 按照普通混凝土构件相关类容进行分析验算。顶、 底板混凝土的验算包括施工阶段应力验算、正常使 用极限状态裂缝宽度验算和承载能力极限状态斜 截面抗剪承载力验算三部分，其验算方法与普通混 凝土箱梁的横向验算相同，本文不再复述。 ３．３验算结果分析 本文对钢腹板与顶、底板的连接件和顶、底板 分析验算钢腹板与顶、底板连接件时，其安全系数 均满足安全系数大于１的设计要求。 ４结束语 运用以上总结的波形钢腹板箱梁横向分析方 法，对重庆某波形钢腹板ＰＣ箱型刚构桥的箱梁横 向安全性进行分析计算。在各种荷载组合作用下， 混凝土剪力销抗剪强度、波形钢腹板与连接件的抗 角隅弯矩、钢板板幅受压应力、施工阶段应力、正常 第２期 唐朋胜，等：大跨径波形钢腹板Ｐｃ箱型刚构桥横向分析 ．８７． （上接第８２页） ［４］周旭，赵明华，刘义虎．长大隧道火灾与防治设计研究 计与分析＿Ｊ］．中国工程科学，２００７，９（９）：７８—８２． ＥＪ］．中南公路工程，２００２，２７（４）：８７—９０． ［１１］张祉道．公路隧道的火灾事故通风［Ｊ］．现代隧道技术， ［５］倪照鹏，陈海云．国内外隧道防火技术现状及发展趋势 ２００３，４０（１）：３６—３７． ｒＪ］．交通世界，２００３，２（３）：２８—３１． ［１２］Ｋｉｓｋｏ ＴＭ．ＦｒａｎｃｉｓＲＬ，ＮｏｂｅｌＣＲ．ｅｖａｅｎｅｔ４ ｕｓｅｒ ｇｕｉｄｅ Ｅ６］邱昌辉．公路隧道火灾下人员安全疏散性能化分析研 ｖｅｒｓｉｏｎ１Ｏ／２９／９８ｒＲ］．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｌｏｒｉｄａ，１９９８． 究［Ｄ］．长沙：中南大学，２００７． ［１３］霍然，金旭辉，梁文．大型公用建筑火灾中人员疏散的 ［７］孙金香，高伟．建筑物综合防火设计［Ｍ］．天津：天津科 模拟计算分析［Ｊ］．火灾科学，１９９９，８（２）：９－１３． 技翻译出版社，１９９４． Ｅ１４３霍然，胡源，李元洲．安全工程导论［Ｍ］．合肥：中国科 Ｅ８］杨高尚，安永林，彭立敏，等．隧道火灾时人员安全疏散 学技术大学出版社，１９９９． 的模拟研究＿Ｊ］．灾害学，２００６，２１（４）：８－１３． ［１５］霍然，袁宏永．性能化建筑防火分析与设计［Ｍ］＿合肥： ［９］王立，吴芳．道路危险货物运输安全现状分析及对策 安徽科学技术出版社，２００３． ［Ｊ］．山东交通科技，２００９（１）：１５—２１． ［责任编辑：王欣］ ［１Ｏ］陈长坤，徐志胜．长大公路隧道火灾安全疏散性能化设
