波纹钢腹板箱梁国内外技术现状

波纹钢腹板箱梁国内外技术现状

作者：马元飞 黄小安 韩阿慧 来源：《科技探索》2013年第04期

一、国外技术现状 （1）抗剪研究

早在20世纪20年代，Bergmann和Reissner基于弹性理论将矩形波形钢板看做在两个垂直方向上具有不同抗弯刚度的正交异性板，推出了波形钢板单位长度的剪切屈曲荷载。20世纪60年代，美国学者沿用其弹性理论方法，基于边界条件假定了钢板的屈曲挠度形式，推出了波形钢板单位长度的剪切屈曲荷载的计算公式。20世纪70年代，Easley对比分析了多个整体屈曲强度计算公式，最终给出了较为符合实际的理论结果。而波形钢腹板的局部剪切屈曲，相当于在均匀剪应力作用下的钢板条简支在两弯折点时的屈曲，其弹性屈曲强度已有经典表达式。对于非弹性范围内波形钢腹板整体屈曲、局部屈曲的计算，国外学者也给出了一些半经验的计算公式。

1981年，瑞典的Chalmers技术大学在钢木结构室进行了一系列梯形波形钢腹板的剪切屈曲试验，实验结果表明：深梁波形钢板的局部屈曲和整体屈曲存在相互作用；并于1983年又进行了一系列低高度和深梁的试验，并得出一系列有价值的试验结论。美国Drexel大学对21根试验梁进行了试验研究，研究结果表明：波形钢腹板梁的剪力完全由腹板承担，而且钢腹板的破坏是由屈曲造成的，当波纹较密时，由整体屈曲强度控制；当波纹较疏时，由局部屈曲强度控制；而在屈曲过程中，又有可能伴随着合成屈曲。同时，利用有限元分析系统ABAQUS对试验梁进行了数值计算，进一步验证了上述结论。瑞典学者也对波形钢腹板的抗剪屈曲强度进行了非线性有限元分析，分析结果发现：波形钢腹板的几何参数对屈曲强度有相当的影响，腹板的屈曲强度随腹板厚度、弯折角的增大而提高，波形钢腹板的子板宽度越小，腹板屈曲强度越大。

（2）波形钢腹板梁承载能力研究

1994年，瑞典学者对腹板采用波形钢腹板的工字梁的极限承载力进行了研究。采用大型非线性有限元分析系统ABAQUS建立了波形钢腹板梁的计算模型，分析结果表明，波形钢腹板的应力-应变关系曲线对极限承载力有影响。同时，梁的几何参数也决定着极限承载力的大小。

2001年，马来西亚学者针对工字钢梁腹板采用不同折叠方式情况下梁的承载力进行了有限元分析，并与平钢腹板工字钢梁对比。计算结果表明，采用竖向波纹形状的钢腹板梁，其极限承载力明显提高，约为水平波形钢腹板梁和平钢腹板梁承载力的1.8～2.1倍。在相同跨径和相同极限荷载力下，采用竖向波形钢腹板梁的自重可比平钢腹板梁减小10%左右。

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（3）波纹钢腹板梁的疲劳性能分析

Ibrahim 通过实验研究与有限元分析研究了带波纹钢板的板梁疲劳与不稳定问题。研究得到了单调和往复荷载下结构的应力分布和破坏形态。通过有限元方法分析了不同几何构造模型在疲劳寿命中的应力集中影响。使用了破坏机械试验分析以获得应力集中系数和预期往复荷载破坏次数， 得到了计算带波纹钢板的板梁疲劳寿命的公式 。 （4）PBL剪力连接件

PBL连接件最早由莱昂哈特教授和 Partners 公司发展而来。

Galjaard 和 Walraven（1999）做过栓钉连接件、莱昂哈特剪力连接件及 T形连接件的对比实验，研究这几种连接件的工作性能。Oguejiofor和 Hosain（1995）做了70个莱昂哈特剪力连接件试件进行实验，同时运用有限元方法研究了莱昂哈特剪力连接件极限承载力与混凝土材料类型和强度等级、钢板尺寸、钢板的孔径及数量、穿过孔的钢筋直径等影响参数的关系，并给出了相应的疲劳强度与极限承载力计算公式。Valente和Cruz（2004）采用与 Oguejiofor 类似的方法研究了 PBL 连接件、栓钉连接件和型钢连接件在钢-轻质混凝土结构中的性能，并与各连接件在钢-普通混凝土结构中的性能进行了比较。Ferreira（2000）做过把莱昂哈特剪力连接件运用于建筑结构中的实验。Machacek和Studnicka（2002）进行了改进莱昂哈特剪力连接件的实验。

（5）波形钢腹板PC组合箱梁桥的实桥试验和应用研究

对于波形钢腹板箱梁，日本和法国的研究较多，而且着重在实桥的应用上。法国在修建Cognac桥和Maupre高架桥时，针对设计中出现的问题都进行过FEM数值分析，特别是钢腹板的屈曲、箱梁的抗弯、施工的可行性方面做了很多的足尺模型试验，成桥以后又做了静载和动载试验。

日本结合本国波形钢腹板PC组合箱梁桥的建设，做了许多有限元分析、模型试验以及成桥荷载试验，进一步确认了波形钢腹板的抗弯、抗剪、变形等受力特性，为波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计提供了宝贵经验和试验数据资料。

从20世纪80年代至今，随着波形钢腹板PC组合箱梁桥在世界许多国家的相继出现，一些国家己经制定了该类桥梁的设计规范或设计指南，进一步规范了和优化了波形钢腹板箱梁桥的设计、施工以及维护。国外对该类结构的分析，已经从静力分析上升到动力性能和疲劳性能研究上，研究的深度和广度达到了传统PC桥的水平。同时许多国家的研究是基于政府部门的大量资金的投入，将缩尺、足尺模型试验与结构分析有效地结合起来。这些卓有成效的研究成果，使波形钢腹板PC组合箱梁桥在各种结构形式中的广泛应用。 二、国内研究现状

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1997年西南交通大学在分析了法国和日本已建波形钢腹板箱梁桥的结构构造和设计理论后，对一座跨径45m的波形钢腹板双箱单室简支箱梁桥进行了方案设计。且对全桥建立了空间有限元模型，分析计算了结构在恒载、活载及几种荷载组合下的应力及变形。有限元分析结果反映了波形钢腹板箱梁最基本的受力特点。

交通部公路科研所的宋建永等对波形钢腹板剪切屈曲中初始缺陷的影响程度进行了分析。通过非线性有限元方法分析了波形钢腹板剪切屈曲极限荷载和屈曲模态，采用一致缺陷模态法模拟波形尺寸缺陷，钢板厚度缺陷则通过钢板厚度分布函数对单元厚度的修正来引入。结果表明，与平钢腹板相比，波形钢腹板不仅大大提高了剪切屈曲承载能力，对钢板尺寸缺陷的敏感程度也大大减小。

东南大学万水教授等人对波形钢腹板PC组合箱梁模型梁的抗弯性能进行了理论分析与试验研究。通过理论分析，推导了梁轴向变形公式并提出了一种计算模型，并根据能量原理探讨了波形钢腹板的褶皱效应及波形钢腹板PC组合箱梁的弯曲应变计算模式；认为波形钢腹板对箱梁的抗弯贡献可忽略不计。吴文清围绕波形钢腹板PC组合箱梁的抗弯受力机理，研究了翼板的剪力滞效应及有效分布宽度、钢腹板纵向应力分布形式等对箱梁整体抗弯性能的影响。