波形钢腹板组合桥梁结构分析交通运输部公路科学研究院2010年12月目录1 波形钢腹板组合梁桥的特点2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分析方法研究4 GQJS软件在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用1 波形钢腹板组合梁桥的特点1.1波形钢腹板混凝土箱梁的弯曲特性¾由于波形钢腹板纵向刚度较小，设计上可以认为腹板不承担轴向力，轴向力仅由上、下混凝土板承担。
¾该类桥主梁的弯曲特性可以用通常的梁理论中的平截面假定来近似描述。
1 波形钢腹板组合梁桥的特点1.2波形钢腹板混凝土箱梁的扭转特性¾由于波形钢腹扳的纵向刚度非常小(轴向有效弹性模量是原弹性模量的几百分之一)，波形钢腹板预应力结合梁桥的扭转与传统箱梁有很大不同。
¾作用在箱梁上的外扭矩，会在顶、底板中产生方向相反的水平横向力。
这样就使顶、底板内产生弯矩，腹板中产生附加扭转剪应力。
¾为控制截面的扭转变形，要适当地布置横隔板，借此来降低波形钢腹板的剪应力与翼板的翘曲应力。
1 波形钢腹板组合梁桥的特点1.3波形钢腹板混凝土箱梁的剪切屈曲稳定性波形钢板屈曲的3种模式：①局部屈曲模式局部屈曲模式是指波形钢腹板的某一个波段部分出现的屈曲破坏现象。
1 波形钢腹板组合梁桥的特点②整体屈曲模式整体屈曲模式是指波形钢腹板整体出现屈曲破坏现象。
其特征为常规的波长较长的变形在无局部屈曲的情况下逐渐发展，与在正交异性板中的情况相似。
③合成屈曲模式合成屈曲模式是指波形钢腹板同时出现局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的现象。
其特征为钢板沿折叠线产生突发的、不可逆转的塑性变形。
1 波形钢腹板组合梁桥的特点1.4波形钢腹板预应力组合箱梁桥的结构设计特点波形钢腹板预应力组合箱梁桥结构受力明确，轴向力基本上由上下混凝土板承担；87％左右的剪力由波形钢腹板承受。
在强度设计上与常规预应力箱梁一样，满足平截面假定；波形钢腹板的局部压屈安全性分析，用现行有关设计规范来验算；体外预应力束按常规进行。
2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状¾自从1986年法国建造了世界上第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥-cognac桥以来，国外已建波形钢腹板组合桥梁数量达到130多座。
日本是目前世界上建造波形钢腹板组合梁桥最多的国家，通过大量实桥建设、模型试验和有限元分析，其对该类桥梁研究的深度和广度都已接近普通PC桥梁的水平。
¾不完全统计，目前国内已建和在建波形钢腹板组合桥也已经达到14座，且多为小跨径连续梁或连续刚构。
2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状¾波形钢腹板桥作为一种新型组合结构，采用波形钢腹板代替了混凝土腹板，在力学特性上有诸多方面优于传统预应力混凝土梁桥，如减轻结构自重、充分利用钢材和混凝土的材料特性、加快施工进度以及预应力施加效率高等。
¾与此同时，该种结构在设计计算方法上和普通混凝土梁桥也有所区别。
计算方法分为解析算法和数值算法。
2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y解析算法1 波形钢腹板箱梁的弯曲“拟平截面假定”波形钢腹板在受弯时纵向正应力及相应的正应变很小，可忽略其对箱梁的抗弯能力的贡献，即箱梁受弯时不计波形腹板的作用，在此前提下波形钢腹板组合箱梁的上、下翼缘板纵向正应变假设符合线性分布规律2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y解析算法2 波形钢腹板的有效抗压弹性模量由于波形钢腹板的褶皱效应，使得波形钢腹板的有效抗压弹性模量只有直钢板的几百分之一2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y解析方法3 翼板有效宽度箱梁顶板的宽跨比b/L是影响翼板剪滞效应的主要因素，在实际计算翼板剪滞系数或有效宽度比时按箱梁宽跨比b/L建立相应的经验计算公式，以简化计算简支和连续单箱单室波形钢腹板组合箱梁顶板有效宽度比的计算经验公式2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y解析方法4 波形钢腹板有效剪切模量对于波形钢腹板组合箱梁而言，外荷载所产生的剪力绝大部分由腹板承担,由于波纹的存在，使得钢腹板通常作为正交异性板来分析，其有效剪切模量G与钢板本身有所区别式中：G为钢板的抗剪弹性模,E和v分别为钢板的弹性模量和泊松比2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y解析方法5 波形钢腹板的屈曲计算对于波形钢腹板整体屈曲、局部屈曲以及合成屈曲强度各国学者已进行了理论公式的推导或者根据试验以及有限元分析的结果给出了不同形式的经验计算公式2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y基于平面杆系软件的简化分析以韩国开发的MIDAS软件为例，MIDAS梁单元截面库中提供了波形钢腹板箱梁截面类型，供用户选用，通过在其梁截面中输入箱梁内外侧几何参数、波形尺寸即可建立波形钢腹板组合箱梁模型，模型中采用平钢腹板代替波形钢腹板，波形钢腹板的褶皱效应由程序内部通过刚度等效来考虑2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y基于平面杆系软件的简化分析2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y基于大型通用程序的空间有限元分析以ANSYS软件为例，对于波形钢腹板组合桥梁，采用实体单元模拟上下混凝土翼缘板，采用壳单元模拟波形钢腹板，采用杆单元模拟预应力钢束，建立空间空间分析模型，可以较为精确地考虑应力分布的剪力滞效应和波形钢腹板的褶皱效应,但是存在空间模型复杂庞大，前处理过程耗时较多的不足，不利桥梁工程技术人员提高设计效率2 波形钢腹板组合桥计算方法研究现状y基于大型通用程序的空间有限元分析某40m波形钢腹板简支箱梁ANSYS空间模型3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分析方法GQJS软件是由交通运输部公路科学研究院开发的公路桥梁结构设计软件，在过去20多年的推广过程中，经过多次改版升级，在中国公路桥梁领域得到了广泛的应用。
由于波形腹板组合梁桥力学特性复杂，很难用解析方法做精确计算，需要借助有限元软件。
3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分析方法目前桥梁结构设计计算普遍采用梁单元进行结构分析，对于组合截面桥梁结构怎样用梁单元进行分析？采用的方法不同，计算结果差异较大，尤其是考虑混凝土收缩徐变和施工过程时间影响因素时各种分析方法计算结果差异更大。
这里介绍采用GQJS的多个梁单元模拟组合截面桥梁结构施工过程的算法。
3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分析方法¾针对组合截面桥梁特点对原有GQJS软件计算功能加以改进,使之可以用多个位置高低不同节点号相同的单元组合模拟钢混组合结构¾在施工过程计算中各单元相互独立，可计入混凝土收缩徐变引起上下层新老混凝土相互作用或钢腹板与混凝土顶底板之间的相互作用¾成桥时可将节点号相同的非桥面系单元并入桥面系单元形成组合换算全截面，成桥阶段的位移、内力、应力、影响线加载和温度梯度计算采用合并后的桥面系换算全截面单元计算，被合并的非桥面系单元退出工作，其内力、应力转换到换算全截面中3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分析方法y一节点法¾在用GQJS软件对组合截面桥梁结构计算时，可将一个原本完整的截面分为上中下三层，三层单元节点号相同，位置相接即令上层混凝土板截面底刚好位于钢腹板截面顶，下层混凝土板截面顶刚好位于钢腹板截面底，系统默认三层子单元换算截面重心，三层单元之间通过位移协调保证顶底板挠曲变形严格服从平截面假定¾在模型中，波形钢腹板简化为平钢腹板，为考虑其褶皱效应，将波形钢板Q345钢材的弹性模量按刚度等效方法进行折减支点横隔板一节点法局部节段三维预览图中横隔板y 一节点法3 基于GQJS 的波形钢腹板桥结构分析方法一节点法局部节段单元节点编号顶板混凝土单元底板混凝土单元腹板钢弹模折减单元过渡段等代混凝土单元体外预应力钢束（拉索单元）y 一节点法3 基于GQJS 的波形钢腹板桥结构分析方法3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分析方法y两节点法顶底板混凝土单元节点独立，由钢腹板单元连接顶底板，顶底板不服从平截面假定，可以有相对位移，波形钢腹板单元控制上下节点相对位移两节点法单元节点编号示意图中横隔板支点横隔板两节点法局部节段三维预览图y两节点法3 基于GQJS的波形钢腹板桥结构分析方法4 在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用鄄城黄河公路大桥上部构造为70m＋11×120m＋70m波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁，分别采用GQJS 软件“一节点法”和“两节点法”对鄄城黄河大桥进行施工过程计算分析4 在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用边跨和中跨箱梁节段布置图y 变形计算¾下面对比最大悬臂状态下由第12号节段混凝土浇注引起的各已浇节段位移增量、第12号节段顶板纵向钢束张拉引起的各节段位移增量以及挂蓝拆除引起的各节段位移增量¾从对比计算可以看出，对于12#节段混凝土浇注引起的各已浇节段的下挠变形，计算值稍大于实测值，对于12#块钢束张拉和挂篮拆除引起的各节段位移增量，计算值和实测值吻合很好¾目前鄄城桥结构主体施工已经完成，各项控制指标均符合相关规范及设计要求4 在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用y 变形计算-40-35-30-25-20-15-10-551#块2#块3#块4#块5#块6#块7#块8#块9#块10#11#节段号位移增量(m m )GQJS-1GQJS-2实测值12#块混凝土浇注引起各节段位移增量4 在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用y 变形计算246810121#块2#块3#块4#块5#块6#块7#块8#块9#块10#11#12#节段号位移增量(m m )GQJS-1GQJS-2实测值12#块纵向钢束张拉引起节段位移增量4 在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用y 变形计算5101520251#块2#块3#块4#块5#块6#块7#块8#块9#块10#11#12#节段号位移增量(m m )GQJS-1GQJS-2实测值挂篮拆除引起各节段位移增量4 在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用4 在鄄城黄河公路大桥施工过程计算中的应用。