桥梁设计与计算

图3 波折腹板桥梁结构示意图
（2）波形钢腹板的连接 ）
对于钢-混结合部的连接，一是在波形钢板的上 下端部焊接钢板，钢板上焊接剪力钉(如柱型螺栓)， 使之与混凝土板结合在—起(见图a)。二是在波形钢 板上打孔，穿过钢筋(贯通钢筋)，再在钢扳的上、下 端部焊接纵向钢筋(约束钢筋)并埋入混凝土中(图b)。
（4）横断面设计 ）
横断面的设计是根据国外已建成的等高度梁 桥高跨比来确定的， 桥高跨比来确定的，通过对比采用单箱单室的截 面形式，梁高2.7m，高跨比 面形式，梁高 ，高跨比1/17.8。 。 箱梁的设计：顶宽12m，顶板厚 箱梁的设计：顶宽 ，顶板厚0.28m，底 ， 板宽5.22m，厚0.22m，近支点位置加厚利于应 板宽 ， ， 力扩数。 力扩数。
组合桁架桥梁 组合钢构桥梁
混合桥梁 组合拱桥梁
组合斜拉桥梁
2 连接件的设计与计算 （1）焊钉连接件的力学性能 ）
Hiragi等人通过回归分析179个试件的实验数据，提出焊钉 连接件的抗剪承载力为: Qu = 31As (hs / d s ) f c + 10000
关于抗疲劳承载力的计算方法的研究结果也不一样，通过对114个 实验的实验数据回归分析，得出焊钉连接件的抗疲劳承载力计算公式为：
（3）抗剪承载力的计算 ）
开孔板连接的抗剪承载力的计算方法各不相同，需要大量试 验数据的验证，在此仅举出几个具有代表性的计算式: Leonhardt 提出如下公式：
Qu = 1.79d 2 f c
d---是圆孔的直径，fc---是混凝土的抗压强度。 Hosaka等人根据许多研究者的试验结果进行回归提出了下面计算式：
（5）横隔板的设置 ）
众多的研究都表明：将混凝土腹板换成波折腹扳后， 众多的研究都表明：将混凝土腹板换成波折腹扳后，箱梁的 抗扭刚度和抗剪刚度均会降低。而且相对于混凝土腹板的箱粱， 抗扭刚度和抗剪刚度均会降低。而且相对于混凝土腹板的箱粱， 波折腹板箱型桥梁在偏心荷载作用下的畸变效应会有所增强。 波折腹板箱型桥梁在偏心荷载作用下的畸变效应会有所增强。因 此必须在跨内适当设置横隔板来增强整体性以减小畸变翘曲正应 考虑到横隔板要兼作体外预应力钢束的转向块， 力。考虑到横隔板要兼作体外预应力钢束的转向块，每跨至少要 在两处设置。 在两处设置。
组合桥梁设计计算的相关研究
S20090141 王娟娟
主要内容
1
2 3 4
概述 连接件的设计与计算
波折腹板组合箱梁桥的设计与计算
波折腹板组合箱梁桥的设计实例
1 概述 （1）组合桥梁的力学特点 ）
设计原则:极大限度地追 设计原则 极大限度地追 求高性能、经济型。 求高性能、经济型。将抗拉 性能强的钢材、 性能强的钢材、抗压性能强 的混凝土， 的混凝土，分别合理地用在 构件的拉伸区及其压缩区。 构件的拉伸区及其压缩区。
组合结构最大的技术特点是组合后的性能已经超 过两种材料各自的力学性能。钢材处于拉伸区域时， 过两种材料各自的力学性能。钢材处于拉伸区域时， 其强度及其延性能够很好发挥，但当处于压缩区域时， 其强度及其延性能够很好发挥，但当处于压缩区域时， 由屈曲强度决定，特别是薄钢板制作的构件， 由屈曲强度决定，特别是薄钢板制作的构件，材料性 能很难发挥，而混凝土是比钢材更便宜、自重大、 能很难发挥，而混凝土是比钢材更便宜、自重大、抗 拉强度显著小的脆性材料。因此， 拉强度显著小的脆性材料。因此，两者力学组合主要 表现在两个方面， 表现在两个方面，即钢材对混凝土的支援及混凝土对 钢材的支援。 钢材的支援。
（2）结构总体设计 ）
上部结构采用波折钢腹板组合箱梁。 上部结构采用波折钢腹板组合箱梁。 单箱单室断面，钢腹板倾斜25度 单箱单室断面，钢腹板倾斜 度。体内 体外钢索并用，墩顶设置横隔梁， 体外钢索并用，墩顶设置横隔梁，各跨 跨中设置两道横隔板。 跨中设置两道横隔板。下部结构采用柱 式墩台，钻孔灌注桩基础。 式墩台，钻孔灌注桩基础。支架现浇施 一次落集成形，总体布置参见右图。 工，一次落集成形，总体布置参见右图。 箱梁混凝土为C50，预应力钢束，钢绞线采用标准的高强低松弛钢 ，预应力钢束， 箱梁混凝土为 绞线，外包PE防护套 并采用配套的型体外预应力锚具。 防护套， 绞线，外包 防护套， 并采用配套的型体外预应力锚具。波形钢腹 板采用Q345级低合金结构钢板弯折成型。边中跨比为 级低合金结构钢板弯折成型。 板采用 级低合金结构钢板弯折成型 边中跨比为0.625，全桥除 ， 墩顶设置横隔梁外，跨中各设两道30cm厚横隔板兼作预应力转向块， 厚横隔板兼作预应力转向块， 墩顶设置横隔梁外，跨中各设两道 厚横隔板兼作预应力转向块 同时增强箱梁横向抗扭。支座采用盆式橡胶支座。 同时增强箱梁横向抗扭。支座采用盆式橡胶支座。
（3）受力特点 ）
①抗弯特性 波形钢板在沿桥纵向(x轴方向 的表观弹性模量E，与波高h，板 波形钢板在沿桥纵向 轴方向)的表观弹性模量 ，与波高 ， 轴方向 的表观弹性模量 E 以及波纹的形状系数Y有关 厚t以及波纹的形状系数 有关，具体表述为下面的公式： = γ E (t / h ) 以及波纹的形状系数 有关，具体表述为下面的公式： ②主梁的扭转特性 在偏心荷载作用下，主梁截面将发生扭转变形。 在偏心荷载作用下，主梁截面将发生扭转变形。由于混凝土腹 板的箱梁刚度较大，扭转的影响很小， 板的箱梁刚度较大，扭转的影响很小，扭转变形能很快地被截面上 横向框架效应和板的面内挠曲刚度所吸收。 横向框架效应和板的面内挠曲刚度所吸收。 由于波形钢腹板的弯曲刚度与上、下混凝土板相比小很多， 由于波形钢腹板的弯曲刚度与上、下混凝土板相比小很多，因 此断面的扭转变形的影响将会增大， 此断面的扭转变形的影响将会增大，使混凝土板内产生较大的扭转 翘曲应力，这是不可以忽略的。 翘曲应力，这是不可以忽略的。应设置较多的横向联结钢构件或横 隔板来限制扭转，并使其与用来使预应力束转向的转向块合为一体。 隔板来限制扭转，并使其与用来使预应力束转向的转向块合为一体。 横隔板间距对扭转变形方程的影响方面， 横隔板间距对扭转变形方程的影响方面，日本的研究表明利用扭转 常数与横隔板间距的相关曲线， 常数与横隔板间距的相关曲线，就可以得到一定箱梁扭转常数下的 横隔板间距的值，在不过多增加主梁自重的情况下， 横隔板间距的值，在不过多增加主梁自重的情况下，适当调整横隔 板间距对限制扭转变形是有效的。 板间距对限制扭转变形是有效的。关于波折钢腹板箱梁桥截面的抗 扭刚度的计算，方法很多，目前还没有明确的结论。 扭刚度的计算，方法很多，目前还没有明确的结论。
（2）组合结构桥梁的分类及特点 ）
名称 组合钢板桥梁 组合箱桥梁 形式 钢板梁+混凝土桥面板 闭截面钢箱梁+混凝土桥面板 槽型截面钢箱梁+混凝土桥面板 波折钢腹板+混凝土上下翼缘板 钢桁架梁+混凝土桥面板 钢桁架腹杆+混凝土上下翼缘板 钢板梁+混凝土墩 钢箱梁+混凝土墩 钢桁架梁+混凝土墩 钢梁+混凝土梁 钢管混凝土拱 型钢混凝土拱 混合结构拱 混凝土拱肋+承重钢梁 钢板梁+混凝土桥面板 钢箱梁+混凝土桥面板 操行界面钢箱梁+混凝土桥面板 波折腹板组合箱梁 钢梁+混凝土梁 特点 抗弯刚度增大 抗弯、扭刚度增大，顶钢板未充分利用 省去顶钢板，施工难度加大 自重减轻，预应力能有效施加 抗弯刚度增大，连接件设计较困难 省去上下弦杆，施工难度加大 省去支座，负弯矩区性能改善，抗震性 能提高，悬臂施工法能够使用 跨度增大，连接较难处理 施工容易，填充质量较难保证 施工容易，无钢材维护问题 增强拱脚强度 减轻上部结构自重 抗弯刚度增加 抗弯、扭刚度增大 省去顶钢板 改善箱梁受力性能 塔墩附近加劲梁抗压性能提高
（2）开孔钢板连接件 ）
圆柱头焊钉是钢与混凝土结构中最常用的连接件之一，其破坏 形式主要是根部焊接处的剪切破坏。 关于开孔钢板连接件在混凝土中受到剪力作用时的破坏模式， 一般认为大致会出现以下4中情况： 4 （1）两孔之间的钢板发生剪切破坏 （2）圆孔中的混凝土发生割裂破坏 （3）圆孔中的混凝土发生剪切破坏 （4）圆孔中的混凝土发生压缩破坏 影响开孔板连接件抗剪性能的主要因素，大致有4方面： （1）开孔板的孔径 （2）贯通钢筋 （3）开孔板的间距 （4）开孔板的厚度
Βιβλιοθήκη Baidu2 x 0
（4） 波形钢腹板的应力计算 ）
波形钢腹板主要承受剪应力，设计中偏安全地 认为结构所有的剪力都由波形钢腹板承担，忽略混 凝土顶、底板对剪力的抵抗作用，从而计算出波形 钢腹板所需要的最小厚度。钢腹板不仅承担纵向弯 曲所引起的弯曲应力，同时也承担横向弯曲所引起 的弯曲应力，因此必须对合成应力进行验算。 σ τ [ b ]2 + [ b ]2 ≤ γ σa τa
4 波折腹板组合箱梁桥的设计实例 （1）工程概况 ）
某高速公路上跨桥， 某高速公路上跨桥，桥跨布置为 30+48+30=108m，桥面横向布置为： ，桥面横向布置为： 0.5m(防撞护栏 防撞护栏)+11m(行道 行道)+0.5m(防撞护 防撞护栏 行道 防撞护 栏)=12m。设计荷载：公路一Ⅱ级。结构 。设计荷载：公路一Ⅱ 抗震： 度区 地震动峰值加速度为0.1g。 度区， 抗震：6度区，地震动峰值加速度为 。 桥梁平面位于直线段上，纵断面位于 桥梁平面位于直线段上， R=3500m的凸形竖曲线上。 的凸形竖曲线上。 的凸形竖曲线上
Qu = 1.45[(d 2 − d s 2 ) f c + d s 2 f y ] − 26100
ds、fy是贯通钢筋的直径和屈服强度。
3 波折腹板组合箱梁桥的设计与计算 （1）结构体系特点 ）
采用波折腹板的组合结构箱梁桥体 具有4大优点 大优点， 系，具有 大优点，即： ①承担剪力的波折钢板具有很高的 抗剪承载性能； 抗剪承载性能； 波折钢板抗弯性能较差， ②波折钢板抗弯性能较差，使得混 凝土顶、底板单独承担弯矩； 凝土顶、底板单独承担弯矩； ③利用波折钢板的自由压缩特性来 减小预应力增加量； 减小预应力增加量； 仅箱梁本身就可以减轻自重约20 ④仅箱梁本身就可以减轻自重约 ％，相应的下部结构也会得到合理设计 相应的下部结构也会得到合理设计， ％，相应的下部结构也会得到合理设计， 整体造价大幅度下降， 整体造价大幅度下降，由于不需要混凝 土腹板， 土腹板，从而相应减少了钢筋和模板的 制作与安装，缩短了工期，方便施工。 制作与安装，缩短了工期，方便施工。
R / Qu = 1.28 N −0.105
关于抗拔承载力对抗剪承载力影响的研究成果也有很多，最早是在 美国首先开始的，所用的焊钉直径分别为19mm、22mm，埋设深度分 别为10mm、178mm、200mm。提出的抗拔承载力计算公式为: N Q ( )5/3 + ( )5/3 = 1.0 Nu Qu
当波折腹板的竖向倾角为0° 矩形截面 矩形截面)时 当波折腹板的竖向倾角为 °(矩形截面 时： 当波折腹板的竖向倾角为30。 当波折腹板的竖向倾角为 。时：
当波折腹板的竖向倾角为450时： 时 当波折腹板的竖向倾角为
（6）承载力验算 ）
抗剪验算时如前假定全部由钢腹板来承受剪力， 抗剪验算时如前假定全部由钢腹板来承受剪力， 根据结构总体计算求得的最大剪力值来确定钢板的厚 度，并保证最大剪应力不超过钢材的容许应力和抗剪 屈服强度。此外， 屈服强度。此外，为防止波折钢的局部屈曲和整体屈 曲破坏，对波形进行了核算。 曲破坏，对波形进行了核算。 本桥平面位于直线段上，扭矩主要由活载引起， 本桥平面位于直线段上，扭矩主要由活载引起， 根据抗扭刚度公式计算扭转应力， 根据抗扭刚度公式计算扭转应力，将之与剪应力叠加 使其不超过钢板的容许应力对组合结构而言， 后，使其不超过钢板的容许应力对组合结构而言，钢 与混凝土的连接至关要。要对钢腹板与顶底板、 与混凝土的连接至关要。要对钢腹板与顶底板、端横 梁和中横梁的连接分别进行验算， 梁和中横梁的连接分别进行验算，并对局部进行有限 元分析，据此确定开孔钢板的尺寸、开孔大小及间距， 元分析，据此确定开孔钢板的尺寸、开孔大小及间距， 焊钉的尺寸及间距等。 焊钉的尺寸及间距等。