波形钢腹板PC组合工字梁力学性能分析.pdf

SHANGHAI HIGHWAYS
杨而工
波形钢腹板PC组合工字梁力学性能分析
徐永林
(苏州市吴中区公路管理处,215128)
摘要:通过对预制波形钢腹板PC组合工字梁进行静载试验,有限元线形、非线性,弹性稳定性等一系列分析,验证了波形钢腹板
PC组合工字梁截面满足平截面假定,计算了工字梁的极限承载力,分析了工字梁是否有发生屈曲的可能性,得出工字梁满足设计
使用要求的结论。
关键词:波形钢腹板;静载试验;有限元分析:弹性稳定性
0引言
本文以河南省内乡县邓内高速公路跨线桥一张
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家庄天桥为工程背景。该跨线桥为2×40m的简支变
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连续的波形钢腹板PC组合箱梁桥。施工过程为先预
制波形钢腹板PC组合工字梁,架设之后浇筑顶底板
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形成箱梁桥(图1、图2)。箱梁的拼装过程中,预制波
形钢腹板PC组合工字梁作为承载箱梁现浇板自重、
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施工荷载的构件,其受力性能的研究,是本文研究的重
点。为了拼装箱梁尺寸设计的合理性及拼装过程中的
20
安全性,对波形钢腹板PC组合工字梁进行静载试验
与有限元分析。
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通过静载试验检验工字梁整体受力性能是否达到
设计要求;通过有限元线性静力分析验证在波形钢腹
图2预制工字梁示意图(单位:cm)
板箱梁中已经符合的平截面假定,在开口截面梁中
1静载试验
是否依旧成立。通过非线性静力分析计算工字梁的极
工字梁在三分点位置集中力作用下,测量各控制
限承载力,检验在现浇板自重与施工荷载作用下工字
截面的挠度值、应变值,验证工字梁横截面沿竖向是否
梁是否在弹性工作阶段范围之内;结构弹性稳定性分
析计算工字梁在自重与预应力筋偏压作用下是否有发
符合平截面假定;研究工字梁混凝土部分对工字梁的
生屈曲的可能性。
抗弯贡献程度;通过理论值和试验值的对比,检验设计
是否合理,工字梁是否满足使用要求。测点布置见
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80
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图3
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现浇部分
预制工字梁
图1箱梁构造示意图(单位:cm)
收稿日期:2014-11-06
(a)顶板混凝土传感器埋设
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(锈工程
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板与混凝土、预应力筋与混凝土采用共节点的连接方
式。共划分单元个数3878个,节点数6188个,有限元
模型见图5、图6。取位移收敛误差2%,进行计算。
(b)波形钢腹板应变片布置
图5工字梁模型
图3工字梁应变测点布置现场照片
试验采用单调加载。试验前,先起吊试验梁,支座
位置处以枕木作临时支撑,试验梁成简支结构形式,沿
试验梁底板等距布置百分表;试验梁以自重荷载进行
预压,消除非弹性变形;待初读数稳定后,在试验梁三
分点位置处放置枕木,以枕木为支撑点,加载一片空心
图6工字梁腹板、预应力筋模型
板梁(图4),数据稳定后进行数据采集;如此,待数据
加载方式为三分点对称加载,在跨中部分形成纯弯
加载完后,再加载一片空心板梁;最后分两次卸载两片区,集中荷载分176kN与352kN两级加载,计算工字
空心板梁,采集试验梁残余应变与残余变形2。
梁顶底板沿纵向正应力,跨中截面沿竖向正应力,支点
截面沿竖向剪应力,验证工字梁截面沿竖向是否符合平
截面假定;研究波形钢腹板对工字梁抗弯、抗剪的
贡献。
3试验结果与有限元结果对比分析
用有限元计算出沿工字梁纵向加载176kN与
352kN时顶底板的正应力值,结果见图7与图8。百
(a)应变测点与数据采集系统连接
分表分别测出加载176kN、352kN时的工字梁挠度
值与卸载176kN、352kN后的挠度值,具体挠度值见
图9。扣除挠度残余值后,对试验值与有限元分析值
进行对比,对比结果见图10。应变测点读测出L/4截
面与跨中截面沿竖向正应变,并与有限元结果作对比,
具体值见图11与图12。用有限元计算出支点截面沿
竖向剪切应变值,结果见图13。
图7、图8为工字梁沿纵向正应力分布情况,表明
工字梁在偏离支点1m的截面处,顶底板都有应力突
(b)加载空心板梁
变,这是由于从端横梁与组合截面交界区域抗弯刚度
图4试验过程现场照片
突然减小产生的。在实际工程中应在这个部位设置倒
2有限元模型的建立
角或内衬混凝土作为过渡段,减小应力突变。图10
采用有限元软件对工字梁进行数值模拟:采用三维中,工字梁扣除位移残余值后,挠度值理论值与试验值
实体单元 SOLI65来模拟混凝土,采用壳体单元差异不大,加载176kN时,试验结果位移最大值为
SHELLA3来模拟波形钢腹板,采用三维杆单元LINK80.48cm,有限元最大值为0.58cm;加载352kN时,
来模拟预应力钢筋。采用直接从节点建模的方法。钢试验结果位移最大值为1.14cm,有限元最大值为
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