波形钢腹板与混凝土腹板箱拱抗温度性能分析
赵磊 王芳
摘 要：波形钢腹板混凝土组合拱桥具有自重轻、受力小、腹板不开裂、施工方便、跨越潜力大等优点，但该种新桥型在局部研究尤其在拱圈抵抗温度性能等方面研究较少，为此，本文利用MIDAS CIVIL有限元软件建立温度分析模型，对波形钢腹板箱型拱圈与混凝土腹板箱型拱圈在抵抗系统温度和梯度温度方面的性能做了对比分析，为该类桥梁的设计和应用提供借鉴。
关键词：波形钢腹板；混凝土腹板；箱型拱圈；温度性能
中图分类号：TU5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0057-02
我国福州大学陈宝春教授于2006年提出了把波形钢腹板应用于拱桥的设计构想[1]，即将箱型拱圈的混凝土腹板替换为波形钢腹板，创新性地形成波形钢腹板混凝土箱型拱桥。近年来相关研究表明，波形钢腹板混凝土箱拱桥具有拱圈自重轻、受力小、腹板不开裂、施工方便、跨越潜力大等优点，尤其与钢管混凝土拱桥和钢拱桥相比，更具有竞争力[2]，因此该类型桥逐渐受到了国内研究人员关注。但波形钢腹板混凝土拱桥作为一种新的桥型，在局部研究例如抵抗温度等方面研究较少，为此，本文特选取国内某一单箱单室，跨径为210m的特大桥箱型拱圈为研究背景，利用MIDAS CIVIL有限元软件分别建立波形钢腹板箱型拱圈与混凝土腹板箱型拱圈的温度分析模型，对比研究系统温度和梯度温度作用下两种拱圈的抗温度性能。
1工程概况
某特大桥主跨为钢筋混凝土箱型拱桥，拱圈采用悬链线钢筋砼箱型截面，净跨径为210m，净矢高为42m，净矢跨比為1/5，计算跨径为212.311m，计算矢高为42.436m，计算矢跨比1/5，拱轴系数m=1.67。
拱圈为单箱单室截面，半幅箱宽7.0m，箱高3.5m。拱脚顶底板厚度由80cm渐变至40cm，腹板厚度由80cm渐变至50cm。拱圈其它节段顶底板厚40cm，腹板厚度为50cm。主要技术标准：桥梁设计荷载为公路—Ⅰ级，行车道为单向两车道，拱圈主要材料为 C50混凝土，计算弹性模量EC=3.45×104MPa，重力密度取26KN/m3。
2有限元模型的建立
采用MIDAS CIVIL有限元软件建模，将该特大桥混凝土拱圈模型划分为186个节点和212个梁单元，波形钢腹板拱圈模型划分为207个节点和220个梁单元。波形钢腹板拱圈采用对应的单箱单室截面，波形钢取规范1600型[3]，采用Q345低合金高强结构钢，计算弹性模量E=2.06×105MPa，依据国内外大量已建波形钢腹板梁桥统计结果[4]，将本桥拱圈的波形钢板厚度设计为10mm，拱圈钢腹板几何尺寸如图2所示：
3温度作用下拱圈的受力
利用MIDAS CIVIL建模，计算波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板箱型拱圈分别在系统温度升温25℃、渐变10℃梯度温度作用下的最大组合应力和最大位移，对比分析该两种拱圈抵抗温度作用的受力性能。
3.1拱圈应力
3.1.1系统温度工况
在系统整体温度升温或降温取25℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板箱型拱圈的组合应力如图3所示：
结果显示，系统整体温度升温或降温取25℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-1.84MPa，混凝土腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-1.95MPa，均产生于拱脚。
3.1.2梯度温度工况
在取梯度温度为沿拱圈截面渐变10℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-2.33MPa，混凝土腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-4.02MPa，均产生于拱脚，由于篇幅限制，未附分析图。
3.1.3应力统计与分析
系统温度和梯度温度作用下拱圈的应力情况统计如下表1所示：
统计分析表明，系统温度和梯度温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈受到的最大应力均小于混凝土腹板箱型拱圈所受到的最大应力。系统温度和梯度温度作用下，拱圈的最大应力均产生于拱脚截面。
3.2拱圈位移
3.2.1系统温度工况
计算结果显示，在系统整体温度升温或降温取25℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为71mm，混凝土腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为72mm，均产生于拱顶处。
3.2.2梯度温度工况
在取梯度温度为沿拱圈截面渐变10℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为8mm，混凝土腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为6mm，均产生于拱圈L/4处。
3.2.3位移统计与分析
系统温度和梯度温度作用下拱圈的最大位移情况统计如下表2所示：
统计分析表明，系统温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移小于混凝土腹板箱型拱圈，梯度温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移大于混凝土腹板箱型拱圈，且梯度温度工况下波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板拱圈的位移均远小于系统温度作用下的位移。系统温度和梯度温度作用下，拱圈的最大位移处均位于拱顶截面。
4结论
本文利用了MIDAS CIVIL大型有限元软件对某特大桥波形钢腹板箱型拱圈设计形式和混凝土腹板箱型拱圈设计形式进行了温度分析，对比分析了波形钢腹板箱型拱圈设计形式和混凝土腹板箱型拱圈的在温度作用下的受力性能，得到如下主要结论：
（1）系统温度与梯度温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈受到的最大组合应力均小于混凝土腹板箱型拱圈，最大组合应力均产生于拱脚截面。
（2）梯度温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板拱圈的位移远小于在系统温度作用下的位移。系统温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移小于混凝土腹板箱型拱圈，均发生于拱顶截面。梯度温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移大于混凝土腹板箱型拱圈，均产生于拱圈L/4处。
参考文献：
[1]陈宝春，王远洋，黄卿维.波形钢腹板混凝土拱桥新桥型构思[J].世界桥梁，2006，（4）：10-14.
[2]姜燕.波形钢腹板混凝土拱桥试设计研究[D]：[硕士学位论文].重庆：重庆交通大学土木工程学院，2013.
[3]中华人民共和国交通运输部.JT/T 784—2010组合结构桥梁用波形钢腹板[S].北京：人民交通出版社，2010.
[4]姜燕.波形钢腹板混凝土拱桥试设计研究[D]：[硕士学位论文].重庆：重庆交通大学土木工程学院，2013.
摘 要：波形钢腹板混凝土组合拱桥具有自重轻、受力小、腹板不开裂、施工方便、跨越潜力大等优点，但该种新桥型在局部研究尤其在拱圈抵抗温度性能等方面研究较少，为此，本文利用MIDAS CIVIL有限元软件建立温度分析模型，对波形钢腹板箱型拱圈与混凝土腹板箱型拱圈在抵抗系统温度和梯度温度方面的性能做了对比分析，为该类桥梁的设计和应用提供借鉴。
关键词：波形钢腹板；混凝土腹板；箱型拱圈；温度性能
中图分类号：TU5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0057-02
我国福州大学陈宝春教授于2006年提出了把波形钢腹板应用于拱桥的设计构想[1]，即将箱型拱圈的混凝土腹板替换为波形钢腹板，创新性地形成波形钢腹板混凝土箱型拱桥。近年来相关研究表明，波形钢腹板混凝土箱拱桥具有拱圈自重轻、受力小、腹板不开裂、施工方便、跨越潜力大等优点，尤其与钢管混凝土拱桥和钢拱桥相比，更具有竞争力[2]，因此该类型桥逐渐受到了国内研究人员关注。但波形钢腹板混凝土拱桥作为一种新的桥型，在局部研究例如抵抗温度等方面研究较少，为此，本文特选取国内某一单箱单室，跨径为210m的特大桥箱型拱圈为研究背景，利用MIDAS CIVIL有限元软件分别建立波形钢腹板箱型拱圈与混凝土腹板箱型拱圈的温度分析模型，对比研究系统温度和梯度温度作用下两种拱圈的抗温度性能。
1工程概况
某特大桥主跨为钢筋混凝土箱型拱桥，拱圈采用悬链线钢筋砼箱型截面，净跨径为210m，净矢高为42m，净矢跨比為1/5，计算跨径为212.311m，计算矢高为42.436m，计算矢跨比1/5，拱轴系数m=1.67。
拱圈为单箱单室截面，半幅箱宽7.0m，箱高3.5m。拱脚顶底板厚度由80cm渐变至40cm，腹板厚度由80cm渐变至50cm。拱圈其它节段顶底板厚40cm，腹板厚度为50cm。主要技术标准：桥梁设计荷载为公路—Ⅰ级，行车道为单向两车道，拱圈主要材料为 C50混凝土，计算弹性模量EC=3.45×104MPa，重力密度取26KN/m3。
2有限元模型的建立
采用MIDAS CIVIL有限元软件建模，将该特大桥混凝土拱圈模型划分为186个节点和212个梁单元，波形钢腹板拱圈模型划分为207个节点和220个梁单元。波形钢腹板拱圈采用对应的单箱单室截面，波形钢取规范1600型[3]，采用Q345低合金高强结构钢，计算弹性模量E=2.06×105MPa，依据国内外大量已建波形钢腹板梁桥统计结果[4]，将本桥拱圈的波形钢板厚度设计为10mm，拱圈钢腹板几何尺寸如图2所示：
3温度作用下拱圈的受力
利用MIDAS CIVIL建模，计算波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板箱型拱圈分别在系统温度升温25℃、渐变10℃梯度温度作用下的最大组合应力和最大位移，对比分析该两种拱圈抵抗温度作用的受力性能。
3.1拱圈应力
3.1.1系统温度工况
在系统整体温度升温或降温取25℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板箱型拱圈的组合应力如图3所示：
结果显示，系统整体温度升温或降温取25℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-1.84MPa，混凝土腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-1.95MPa，均产生于拱脚。
3.1.2梯度温度工况
在取梯度温度为沿拱圈截面渐变10℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-2.33MPa，混凝土腹板箱型拱圈的组合应力最大值为-4.02MPa，均产生于拱脚，由于篇幅限制，未附分析图。
3.1.3应力统计与分析
系统温度和梯度温度作用下拱圈的应力情况统计如下表1所示：
统计分析表明，系统温度和梯度温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈受到的最大应力均小于混凝土腹板箱型拱圈所受到的最大应力。系统温度和梯度温度作用下，拱圈的最大应力均产生于拱脚截面。
3.2拱圈位移
3.2.1系统温度工况
计算结果显示，在系统整体温度升温或降温取25℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为71mm，混凝土腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为72mm，均产生于拱顶处。
3.2.2梯度温度工况
在取梯度温度为沿拱圈截面渐变10℃的温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为8mm，混凝土腹板箱型拱圈的拱脚组合位移最大值为6mm，均产生于拱圈L/4处。
3.2.3位移统计与分析
系统温度和梯度温度作用下拱圈的最大位移情况统计如下表2所示：
统计分析表明，系统温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移小于混凝土腹板箱型拱圈，梯度温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移大于混凝土腹板箱型拱圈，且梯度温度工况下波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板拱圈的位移均远小于系统温度作用下的位移。系统温度和梯度温度作用下，拱圈的最大位移处均位于拱顶截面。
4结论
本文利用了MIDAS CIVIL大型有限元软件对某特大桥波形钢腹板箱型拱圈设计形式和混凝土腹板箱型拱圈设计形式进行了温度分析，对比分析了波形钢腹板箱型拱圈设计形式和混凝土腹板箱型拱圈的在温度作用下的受力性能，得到如下主要结论：
（1）系统温度与梯度温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈受到的最大组合应力均小于混凝土腹板箱型拱圈，最大组合应力均产生于拱脚截面。
（2）梯度温度作用下，波形钢腹板箱型拱圈和混凝土腹板拱圈的位移远小于在系统温度作用下的位移。系统温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移小于混凝土腹板箱型拱圈，均发生于拱顶截面。梯度温度作用下波形钢腹板箱型拱圈的最大位移大于混凝土腹板箱型拱圈，均产生于拱圈L/4处。
参考文献：
[1]陈宝春，王远洋，黄卿维.波形钢腹板混凝土拱桥新桥型构思[J].世界桥梁，2006，（4）：10-14.
[2]姜燕.波形钢腹板混凝土拱桥试设计研究[D]：[硕士学位论文].重庆：重庆交通大学土木工程学院，2013.
[3]中华人民共和国交通运输部.JT/T 784—2010组合结构桥梁用波形钢腹板[S].北京：人民交通出版社，2010.
[4]姜燕.波形钢腹板混凝土拱桥试设计研究[D]：[硕士学位论文].重庆：重庆交通大学土木工程学院，2013.
