波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究-盘古文库

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究

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来源：盘古文库

作者：漫步者

2025-09-15

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究（精选3篇）

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究第1篇

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究

摘要：根据国内首座波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁公路桥——泼河大桥的箱梁构造尺寸，设计了足尺模型试验梁，对其力学性能进行了试验研究。测试了波形钢腹板及顶板的混凝土纵向应力分布、挠度以及腹板剪力、体外预应力量等问题。

研究结果表明：波形钢腹板预应力混凝组合箱梁的混凝土顶板和底板主要承担弯矩，波形钢腹板则主要承担剪力，箱梁的计算挠度应考虑钢腹板剪切变形的影响，混凝土顶板存在明显的剪力滞效应，同时得出在荷载作用下体外预应力增量呈线性变化规律，且应力增量很小。

关键词：桥梁工程；组合箱梁；试验研究；波形钢腹板；

作者：姓名：何飞

学号：20041151019

体外预应力波形钢腹板箱梁是以波形钢板代替混凝土作箱梁的腹板，并采用箱内体外预应力技术的新型组合箱梁。这种结构形式不仅解决了桥梁轻型化问题，而且由于波形钢腹板具有褶皱效应，使得顶板、底板混凝土因徐变、干燥收缩产生的变形不受约束，从而提高了混凝土板内的预应力效率。法国在这方面作了许多创新性工作，并于I986年建成了最早的波形钢腹板说明该箱梁的弹性工作效率较高，更接近设计理论的混凝土处于弹性阶段的假设条件。箱梁在试验荷载作用下没有出现裂缝，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)中对部分预应力混凝土构件的要求。

通过对拼茶河桥进行结构理论计算和实桥静载试验测试，试验结果表明箱梁在预制过程中产生的局部缺陷对结构的整体工作性能影响较小，该梁的实际强度和刚度等主要指标满足设计要求，可投入运营使用。PC组合箱梁桥(Cognac桥)，随后又修建了Maupre高架桥、Asterix桥、Dole桥。德国修建了Altwipferg—rund桥、韩国修建了Ilsun桥、挪威修建了Tronko桥、委内瑞拉修建了Caracas桥、Corniche桥。日本到2002年末为止，已建成18座，在建11座。从已建成的桥型来看，该结构的桥梁已由最初的简支梁，发展为后来的连续刚构、斜拉桥等，截面形式也由等高度发展为不影响桥梁结构的耐久性，建议采用环氧树脂结构胶或环氧砂浆对局部缺陷进行修补。

参考文献：

[1] 中交第一公路勘察设计研究院，江苏省交通规划设计院．

公路桥涵通用图— — 装配式预应力混凝土连续箱梁桥上

部构造(盐城至南通高速公路实施预留六车道专用)[Z]，2004．

[2] 东南大学．拼茶河桥第8—2 箱梁静载试验报告JR]，2004．

[3] 交通部公路科学研究所，等．大跨径混凝土桥梁的试验方

法[R]，1982．

[4] 谌润水，胡钊芳．公路桥梁荷载试验[M]．北京：人民交通

出版社，2003．

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究第2篇

波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥是一种新型桥梁结构, 以其优越的受力性能、良好的经济效益受到广泛关注, 与普通的预应力混凝土箱梁相比, 具有以下优点:1) 波形钢腹板代替混凝土腹板, 减轻了上部结构自重, 提高了抗震性能。2) 波形钢腹板的纵向刚度较小, 几乎不抵抗轴向力, 纵向预应力可以集中加载于上、下翼缘板, 从而有效地提高预应力效率。3) 波形钢腹板用于抗剪, 混凝土翼缘用来抗弯, 能充分发挥钢材和混凝土的优势性能。4) 波形钢腹板可以工厂生产, 现场拼装, 加快施工进程, 缩短工期。5) 波形钢腹板可以避免腹板开裂, 提高耐久性[1,2]。

本文通过介绍河北某高速公路南水北调大桥实桥交工荷载试验, 评价该桥实际结构承载能力是否符合设计要求, 为以后波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥的设计和施工提供参考。

1 工程概述

本桥位于河北某高速公路上, 全长268.5 m, 桥梁跨越南水北调主渠, 桥轴线与南水北调渠呈90°。上部结构为 (70+120+70) m的波形钢腹板预应力混凝土变截面连续箱梁;下部结构桥墩采用矩形实体墩, 桥台采用肋板式桥台, 墩台基础均采用桩基础。桥梁平面位于直线上, 纵断面位于R=23 000 m竖曲线上。桥梁宽度为2× (0.5 m防撞护栏+13.13 m行车道+0.382 m防撞护栏) +0.476 m中央分隔带=28.5 m。设计荷载等级公路—Ⅰ级。桥梁分为左右幅, 两幅箱梁关于桥梁中心线对称。单幅桥主梁采用单箱单室截面, 箱梁顶板宽度为14.012 m, 箱梁底板宽度为7.5 m。梁高和底板厚度均以二次抛物线的形式由跨中向根部变化, 跨中梁高3.5 m, 根部梁高7.5 m, 箱梁翼缘悬臂3.256 m。边跨设置3道横隔板, 中跨设置4道横隔板。顶、底板采用C55混凝土, 波形钢腹板及抗剪连接构件均采用Q345D钢材。箱梁采用悬臂浇筑的施工方法。

该桥的桥型布置图如图1所示, 横断面如图2所示。

2 结构有限元计算模型

应用MIDAS CIVIL V8.2.1软件建立该桥结构模型, 单幅主梁采用空间梁单元进行模拟, 墩顶截面采用混凝土截面, 波形钢腹板截面采用软件自带波形钢腹板截面。支承条件按一般约束边界考虑。全桥共划分为75个节点, 74个单元。结构模型见图3。

计算中认为钢腹板与混凝土顶、底板能共同工作且不发生相对滑移或剪切破坏;忽略波形钢腹板对结构抗弯的贡献, 由混凝土顶、底板承受全部弯矩;波形钢腹板承担所有剪力, 其应力状态一般视为纯剪且沿腹板高度方向等值分布[2];波形钢腹板箱梁弯矩和剪力不发生相互作用;不考虑桥面铺装参与受力。

3 静荷载试验及结果分析

3.1 试验方案

按照连续梁桥的主要加载测试项目, 该桥主要内力和位移测试控制断面为第1跨跨中断面、第2跨跨中断面和1号墩顶断面;6个主要测试工况为:第1跨跨中正弯矩对称工况和偏心工况;第2跨跨中正弯矩对称工况和偏心工况;1号墩支点截面负弯矩对称工况和偏心工况。

本次试验为交工荷载试验, 采用基本荷载加载[3], 静力荷载试验效率取0.95~1.05之间[4], 每一工况在影响线上纵向布置加载车辆, 根据计算结果, 采用8辆三轴载重汽车加载, 车辆总重平均为525 k N, 前中轴距3.5 m, 中后轴距1.4 m, 后轮横向轮距1.8 m。各工况影响线见图4, 试验荷载效率见表1。

3.2 加载位置

第1跨和第2跨跨中正弯矩工况采用4辆车进行加载, 1号墩墩顶负弯矩工况采用8辆车进行加载。各工况加载位置如图5, 图6所示。正式试验前进行预加载。

3.3 测点布置

1) 应变测点。主要应变测试断面为第1跨、第2跨跨中断面和1号墩顶断面, 各测试断面测点布置如图7所示。应变采用数码静态应变传感器测量。

2) 挠度测点。主要挠度测试断面为第1跨和第2跨的L/4, L/2, 3L/4断面, 第3跨的跨中断面, 每个断面两侧腹板下方各布置一个测点, 各墩 (台) 位置布置沉降测点。如图8所示, 挠度采用百分表配合悬挂钢丝法测量。

3.4 静载试验结果

因试验数据较多, 限于篇幅仅将满载状态下第1跨、第2跨跨中截面梁底应力和挠度数据列出, 见表2~表5。

通过对全桥各控制断面的检测数据分析整理, 各测点应力校验系数在0.55~0.67之间, 挠度校验系数在0.62~0.73之间。桥梁各控制断面的强度、刚度满足设计要求, 并有一定的安全储备。各测点残余变形满足要求, 箱梁在试验荷载下控制断面处于弹性工作状态。

4 动荷载试验及结果分析

4.1 试验一:行车试验测定动态响应

在桥面上无任何障碍的情况下, 采用1辆试验车分别以10 km/h, 20 km/h, 30 km/h, 40 km/h的不同车速匀速通过桥跨结构, 记录试验车辆在试验孔上行驶时测点的挠度时程曲线, 根据所记录的曲线计算和分析桥梁在试验荷载作用下的冲击系数。测点布置在第1跨跨中位置, 测量仪器采用BJQN-5B型光电挠度仪。检测结果见表6, 典型时程曲线见图9。

根据测试结果, 桥梁实测冲击系数在0.003~0.016之间, 小于理论冲击系数0.05, 说明该桥的行车性能满足要求。

4.2 试验二:脉动试验测定振动特性

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下, 通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应。仪器采用INV306动态测试和信号分析系统。

经测定, 桥梁实测1阶频率为1.15 Hz, 大于理论值1.09 Hz, 表明结构动力性能满足要求。

5 结语

本次荷载试验效率满足规范要求[4], 能够反映桥梁结构设计荷载下的受力性能;在试验荷载作用下, 各工况控制断面的应力和挠度校验系数均小于1, 桥梁结构的强度和刚度满足设计要求;冲击系数小于理论计算值, 实测基频在正常范围内, 且大于理论计算值, 说明桥梁行车性能和结构动力性能满足要求。

参考文献

[1]陈宝春, 黄卿维.波形钢腹板PC组合箱梁应用综述[J].公路, 2005 (7) :45-53.

[2]宋建永, 王彤, 张树仁.波纹钢腹板体外预应力混凝土组合梁桥[J].东北公路, 2002, 25 (1) :38-40.

[3]YC 4—4/1978, 大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究第3篇

摘要：为了研究波形钢腹板箱梁的桥面板有效分布宽度，制作了一片模型试验梁，对其进行了静载非破坏性试验，研究了此种结构桥面板的有效分布宽度变化规律。结合现行公路桥规值和有限元结果，在3种有效分布宽度计算值比较的基础上对现行公路桥规值进行修正，得到了不同工况下的有效分布宽度修正系数。结果表明：按现行公路桥规计算的有效分布宽度值相比试验值、有限元结果略小，应对桥规值乘以大于1.0的修正系数，使之适用于波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算。

关键词：波形钢腹板箱梁；模型试验；桥面板；有效分布宽度；公路桥规

中图分类号：U448.21 文献标识码：A

波形钢腹板箱梁桥面板由波形钢腹板与混凝土板组成的箱梁框架提供弹性约束；波形钢腹板在纵向抗弯刚度、抗剪刚度方面不同于混凝土腹板，与混凝土顶、底板组成的箱梁框架结构的力学特性亦不同于普通混凝土箱梁。与一般的PC箱梁相比，波形钢腹板PC箱梁的抗弯刚度会下降10%，扭转刚度下降60%，剪切刚度下降90%。因此，波形钢腹板箱梁桥面板的横向受力有效分布宽度必然与混凝土箱梁的桥面板存在一定差异。

目前现行公路桥梁规范（简称桥规）均是针对混凝土T梁桥开口截面的桥面板而言的，都对板的支撑边界条件作了或简支或固支的理想假定。但箱梁顶板与腹板间的连接既不是固支，也不是简支，而是弹性固结的。桥规对行车道板横向受力有效分布宽度的规定，没有区别对待箱梁与肋梁式结构而采取统一规定，而波形钢腹板组合箱梁是由混凝土顶板、混凝土底板和波形钢腹板组成的封闭框架结构。对于波形钢腹板箱梁结构桥面板的有效分布宽度计算，直接采用现行公路桥规的计算公式是否可行，值得深入研究。

针对上述问题，本文以桥面板的有效分布宽度问题作为研究对象设计制作了一片单箱双室波形钢腹板试验梁，力求在试验研究分析的基础上给出适用于波形钢腹板箱梁桥面板有效分布宽度的计算方法，为工程实际应用提供参考。

1试验模型

钢筋混凝土肋梁桥桥面板是直接承受车辆轮压的钢筋混凝土板，在构造上桥面板与主梁梁肋和横隔板连接在一起，因此桥面板实际上是周边支撑的板，并有单向板和双向板之分。图1所示的波形钢腹板单箱单室箱梁，通常其横隔板间距l_a与箱梁横断面腹板的间距l_b之比大于等于2，所以称其支撑的桥面板为单向板。

为确定上述单向板的横向受力有效分布宽度大小，对1片波形钢腹板试验梁进行了试验研究。

1.1模型概况

波形钢腹板单箱双室试验梁的截面尺寸和配筋如图2所示。箱梁总长3 500 mm，计算跨径3 300mm；桥面板横断面宽为2 000 mm，厚度为80 mm。箱梁混凝土的实测立方体抗压强度为28.3 MPa，弹性模量E_c=2.8×10⁴MPa。板内横向受力钢筋的配筋为Φ8@80，屈服强度为327 MPa，极限强度为509 MPa，横向钢筋中心距上缘距离为22 mm；板内纵向受力钢筋的配筋为Φ8@200，屈服强度为327MPa，极限强度为509 MPa，纵向钢筋中心距上缘距离为26 mm。波形钢腹板采用Q235C钢板，板高300 mm，板厚2 mm，折叠角度37°，波高24 mm，波长144 mm，具体构造如图3（c）所示；试验屈服强度值为194.5 MPa，抗拉强度值为295.1 MPa。

在钢腹板上下端插入穿透钢筋与混凝土顶板、底板的构造钢筋绑扎在一起来构成整体，如图3（a）所示，其抗剪连接构造如图3（b）所示。

1.2加载布置和测试布置

加载所用条形钢板平面尺寸定为200 mm×200mm，厚度定为10 mm。试验加载装置如图4所示。

本试验为静载作用下的非破坏性试验，利用反力架和油压千斤顶对试验梁进行加载；采用与反力架接触的压力传感器控制试验加载吨位。

为了研究波形钢腹板单箱双室箱梁桥面板在车轮荷载作用下的有效分布宽度值，试验梁的加载桥面板分为箱梁腹板间的桥面板及悬臂板。并针对板的荷载有效分布宽度规定中的一个车轮荷载、两个车轮荷载，设定相应的试验加载工况有纵向单点加载和纵向双点加载（0.5 m分配梁加载），如图4所示。横向加载位置有中腹板处加载（工况工）、A-A截面加载即边腹板与中腹板间的桥面板跨中位置加载（工况Ⅱ）、边腹板处加载（工况Ⅲ）、B-B截面加载即悬臂长度的1/2位置加载（工况Ⅳ）、悬臂翼缘端部加载（工况Ⅴ），如图2（a）所示。加载方式为分级加载，加载最大载荷根据加载工况的不同而异，分别为40，25，20，10，8 kN。

为测得箱梁的横向内力分布曲线，分别在箱梁边腹板、中腹板间的桥面板跨中位置、悬臂长度的1/2位置、悬臂翼缘端部及腹板与顶板相交部位下沿纵向以跨中位置为中心向两侧各1 m长的梁段，每隔20 cm布设一组横向应变片。

在箱梁的跨中及支座位置布设千分表和百分表以测得梁体在加载过程中的支座沉降、挠度及梁体的扭转角位移。

2局部荷载下的桥面板有效分布宽度

在有效分布宽度概念及计算规定的基础上，将模型梁的试验数据按照有效分布宽度定义计算出各工况下的有效分布宽度值。根据桥规中单向板荷载有效分布宽度的几种工况，即：①车轮荷载作用在板跨径中间；②车轮荷载作用在板的支撑处；③车轮荷载靠近板的支撑处。对应的试验工况分别为：工况Ⅰ中腹板处加载即为荷载作用于顶板横截面中心；工况Ⅱ中A-A截面加载即为荷载作用于边、中腹板中间位置的顶板上；工况Ⅲ边腹板处加载即為荷载作用于边腹板位置处的顶板上。同时针对悬臂板荷载有效分布宽度的工况有工况Ⅳ即B-B截面加载，工况Ⅴ即悬臂翼缘端部加载。

按照文献中对行车道板及悬臂板的受力状态描述，令板的计算跨径L为单箱双室箱梁任一室中的两腹板间距，L₀为悬臂翼板的宽度；a₁和b₁分别为试验中条形钢板的平面尺寸。

单点加载时5种横向不同加载位置作用下沿波形钢腹板单箱双室箱梁桥面板纵向的横向应力试验值如图5所示。其中中腹板处加载、A-A截面加载、边腹板处加载时的数值指的是荷载作用位置处的有效分布宽度值；B-B截面加载、悬臂翼缘端部加载时的数值为悬臂翼缘根部的有效分布宽度值。图中沿纵向的横向应力值分布分别对应各工况最大弹性加载值作用下所产生的应力值，不同图中的数据不作对比。

从图5中可看到，由波形钢腹板与混凝土底板所组成的框架结构支撑的混凝土桥面板在荷载作用下的横向应力分布呈曲线形式分布，且在荷载中心处达到最大值。同于普通混凝土桥面板的相应应力分布形式。

在计算局部荷载作用下顶板的有效分布宽度时，可按公式（1）采用测得的混凝土应变积分来求解。

（1）式中：M为局部荷载所产生的沿纵向的横向总弯矩；m_xmax为沿纵向板带的横向单宽弯矩峰值；ε_x为实测的箱梁顶板产生的横向应变值；ε_xmax为实测的箱梁顶板产生的最大横向应变值；a为箱梁顶板有效分布宽度。

可得到图5所示荷载作用下的有效分布宽度计算值，见表1。表1给出了纵向不同位置在单、双点加载方式下的有效分布宽度值。从表1中可看出：荷载由中腹板位置向边腹板位置移动时，有效分布宽度先增大再减小，即中腹板处加载时的有效分布宽度大于边腹板处加载时的相应值；荷载作用于悬臂翼板位置时，翼板端部的有效分布宽度大于悬臂翼板B-B截面的相应值，同于文献[7]的结论。

同一荷载值的双点加载时（即在荷载总值不变的情况下将单点荷载分为间隔为50 cm的双点荷载），5种工况下的有效分布宽度值均大于单点加载时的有效分布宽度值。

3波形钢腹板箱梁桥面板的有效分布宽度分析

3.1试验梁结果

在上述试验梁结果的基础上将分别采用有限元法和桥规方法对波形钢腹板箱梁桥面板的有效分布宽度进行分析。公路桥规对板的支撑边界条件作了或简支或固支的理想假定；而试验方法与有限元法针对单箱双室箱梁结构中的顶板，考虑了波形钢腹板、底板形成的框架结构对顶板的支撑。针对上述两类计算方法原理的差别，本文对试验值、有限元结果及现行公路桥规值进行了对比分析，结果见表2。

其中有限元分析是采用通用软件ANSYS12.0建立试验梁的数值模型，在模型中分别采用实体单元Solid95模拟混凝土顶、底板，板壳单元Shell63模拟波形钢腹板；上述两类单元采用节点耦合法连接。然后根据此模型计算波形钢腹板箱梁桥面板的横向应力值。

因局部荷载值大小对箱梁有效分布宽度值影响很小，故5种不同工况下的有效分布宽度值可做比较。

由表2可知，无论单点加载还是双点加载，按现行公路桥规的计算值、有限元值与试验值的变化趋势相同，即采用前两种方法得出的有效分布宽度值变化规律同于表1的分析结果。

以試验值为基准，通过有限元值、桥规值与试验值的对比可知，有限元结果与试验结果较接近，桥规值相比二者均较小，比较保守。

3.2实桥结果

同时以某实桥为对象分析顶板的有效分布宽度，该桥上部结构形式采用单箱双室波形钢腹板预应力简支组合梁结构，跨径为50 m，具体横断面尺寸见图6。

纵向加载位置为跨中截面附近，横向加载工况同于试验梁中的5种工况。荷载采用公路Ⅱ级加重车后轴中的单个轮载和间距为1.4 m的2个轮载分别作为单点荷载（单轮荷载）、双点荷载（双轮荷载）。

同于试验梁应变片的布置方式，亦分别在实桥箱梁边腹板、中腹板间的桥面板跨中位置、悬臂长度的1/2位置、悬臂翼缘端部及腹板与顶板相交部位下沿纵向每隔2 m布设一组应变片，沿纵向共布设10组。

分别采用有限元法、试验方法和现行公路桥规法对桥面板有效分布宽度进行分析，其结果见表3。相比有限元结果、试验结果均较小，比较保守。

以上述实桥中单室的桥面板在单轮荷载和双轮荷载下修正后的桥规值示于图7。

由图7可见，修正后的有效分布宽度值从板的支撑处到跨径中间仍近似按45°线过渡。

4结论