超大跨波形钢腹板箱梁弯扭耦合性能试验

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20240607

摘要/Abstract

摘要：

本文设计并开展了3根超大跨波形钢腹板组合箱梁弯扭耦合试验，得到了试验梁的破坏模式、扭矩-扭率曲线、弯矩-位移曲线以及应变分布规律等。然后，基于已验证有限元法进行参数化分析，根据超大跨波形钢腹板组合箱梁的破坏模式，提出了弯扭耦合关系曲线以及简化承载力计算方法。结果表明：在弯扭耦合作用下组合箱梁的破坏形式可分为弯型破坏和扭型破坏，分别以混凝土顶板被压碎和混凝土底板剥落为标志；弯型破坏时腹板的整体屈曲现象主要集中在弯剪扭段，而扭转破坏时腹板的整体屈曲现象主要集中在弯扭段；在一定范围内，弯矩的存在使组合箱梁的抗扭强度得到加强；建立的弯扭耦合关系曲线和简化承载力计算方法均具有较高精度，最大误差不超过6%。

关键词: 桥梁与隧道工程, 超大跨, 波形钢腹板, 破坏模式, 弯扭耦合关系曲线, 简化承载力计算方法

Abstract:

Three super-span composite box girders with corrugated steel webs （CSW） under combined bending and torsion were designed and experimentally investigated in this paper， and the failure modes， torque-twist curves， bending moment-displacement curves， and strain distribution laws were obtained. Based on the verified finite element analysis （FEA） method， a parametric analysis was carried out. The bending-torsional relationship curves and the simplified calculation method for capacity were proposed according to the failure modes. The results show that the failure modes of the composite box girders are the bending and torsional failure， with crushing of the concrete top slab and spalling of the concrete bottom slab， respectively. Global buckling of bending failure occurs in the bending-shear-torsional section， whereas that of torsional failure is concentrated in the bending-torsional section. The bending moment enhances the torsional strength of the composite box girders within a certain range. The proposed bending-torsional relationship curves and the simplified calculation method both provide high accuracy， with a maximum error of less than 6%.

Key words: bridge and tunnel engineering, super-span, corrugated steel webs, failure modes, bending-torsional relationship curves, simplified load capacity calculation method

中图分类号:

U488.21

张皓,陈宜言,叶俊宇,董桔灿,赵秋. 超大跨波形钢腹板箱梁弯扭耦合性能试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2026, 56(1): 209-218.

Hao ZHANG,Yi-yan CHEN,Jun-yu YE,Ju-can DONG,Qiu ZHAO. Experiment on bending-torsional performance of super- span box girders with corrugated steel webs[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2026, 56(1): 209-218.

图/表 19

图1

图2

表1

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表2

有限元扭矩结果比较"

试验梁	加载方式	弹性阶段			开裂阶段			腹板屈服阶段			极限承载力阶段			破坏模式
试验梁	加载方式	$T e, E x p$ /（kN·m）	$T e, F E A$ /（kN·m）	$T e, E x p T e, F E A$	$T c r, E x p$ /（kN·m）	$T c r, F E A$ /（kN·m）	$T c r, E x p T c r, F E A$	$T w y, E x p$ /（kN·m）	$T w y, F E A$ /（kN·m）	$T w y, E x p T w y, F E A$	$T u, E x p$ /（kN·m）	$T u, F E A$ /（kN·m）	$T u, E x p T u, F E A$	破坏模式
S-1	先弯后扭	—	—	—	164.81	169.10	0.975	458.03	461.72	0.992	570.26	543.98	1.048	扭型破坏
S-2	先扭后弯	—	—	—	158.62	161.37	0.983	453.36	451.39	1.004	481.23	457.37	1.052	扭型破坏
S-3	先扭后弯	145.07	139.94	1.037	—	—	—	—	—	—	—	—	—	弯型破坏

表2

表3

有限元弯矩结果比较"

试验梁	加载方式	弹性阶段			开裂阶段			腹板屈服阶段			极限承载力阶段			破坏模式
试验梁	加载方式	$M e, E x p$ /（kN·m）	$M e, F E A$ /（kN·m）	$M e, E x p M e, F E A$	$M c r, E x p$ /（kN·m）	$M c r, F E A$ /（kN·m）	$M c r, E x p M c r, F E A$	$M w y, E x p$ /（kN·m）	$M w y, F E A$ /（kN·m）	$M w y, E x p M w y, F E A$	$M u, E x p$ /（kN·m）	$M u, F E A$ /（kN·m）	$M u, E x p M u, F E A$	破坏模式
S-1	先弯后扭	134.35	121.60	1.105	—	—	—	—	—	—	—	—	—	扭型破坏
S-2	先扭后弯	—	—	—	—	—	—	—	—	—	910.23	882.95	1.031	扭型破坏
S-3	先扭后弯	—	—	—	275.60	281.89	0.978	769.90	782.35	0.984	1 043.93	1 027.85	1.016	弯型破坏

表3

图13

图14

图15

表4

参数化结果分析"

有限元梁	加载方式	有限元		$α F$	$α N$	$α S$	$α N / α F$	$α S / α F$	破坏模式
有限元梁	加载方式	$T$ /（kN·m）	$M$ /（kN·m）	$α F$	$α N$	$α S$	$α N / α F$	$α S / α F$	破坏模式
S-11	先弯后扭	584.54	202.70	0.177	0.179	0.185	1.011	1.045	扭型破坏
S-12	先弯后扭	610.40	304.06	0.254	0.255	0.267	1.004	1.051	扭型破坏
S-13	先弯后扭	605.23	456.08	0.385	0.383	0.379	0.995	0.984	扭型破坏
S-14	先弯后扭	543.15	760.14	0.714	0.706	0.725	0.989	1.015	扭型破坏
S-15	先扭后弯	103.46	1 021.63	5.040	5.060	5.000	1.004	0.992	弯型破坏
S-16	先扭后弯	232.78	1 028.72	2.256	2.169	2.222	0.961	0.985	弯型破坏
S-17	先扭后弯	362.10	1 033.79	1.457	1.442	1.429	0.990	0.981	扭型破坏
平均值		—	—	—	—	—	0.993	1.007	—
标准差		—	—	—	—	—	0.015	0.028	—

表4

参考文献 16

[1]	丁勇, 江克斌, 周寅智, 等. 波形钢腹板PC组合箱梁纯扭作用下抗扭承载力计算模型[J]. 计算力学学报, 2013, 30(1): 137-142.
	Ding Yong, Jiang Ke-bin, Zhou Yin-zhi, et al. Analytical model for torsional strength of prestressed concrete box-girder with corrugated steel webs[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2013, 30(1): 137-142.
[2]	李立峰, 侯立超, 孙君翠. 波形钢腹板抗剪性能的研究[J]. 湖南大学学报:自然科学版,2015,42(11):56-63.
	Li Li-feng, Hou Li-chao, Sun Jun-cui. Research on shear mechanical property of corrugated steel webs[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences), 2015, 42(11): 56-63.
[3]	赵品, 荣学亮, 邵旭东, 等. 节段预制拼装波形钢腹板单箱双室箱梁抗弯性能试验研究[J]. 铁道学报, 2022, 44(12): 142-149.
	Zhao Pin, Rong Xue-liang, Shao Xu-dong, et al. Research on bending mechanism of precast segmental composite box girder with corrugated steel webs[J]. Journal of the China Railway Society, 2022, 44(12): 142-149.
[4]	黄汉辉, 陈康明, 吴庆雄, 等. 波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁抗扭性能研究[J]. 土木工程学报, 2023, 56(1): 93-104.
	Huang Han-hui, Chen Kang-ming, Wu Qing-xiong, et al. Research on torsional behavior of composite girders with CSW-CFST truss chords[J]. Journal of Civil Engineering,2023, 56(1): 93-104.
[5]	Zhang H, Zhao Q, Xiao F, et al. Improved softened truss model for prestressed concrete composite box girders with corrugated steel webs under pure torsion[J]. Engineering Structures, 2024, 302: No.117380.
[6]	Chen Y, Dong J, Tong Z, et al. Flexural behavior of composite box girders with corrugated steel webs and trusses[J]. Engineering Structures, 2020, 209: No.110275.
[7]	宋随弟, 陈克坚, 袁明. 波形钢腹板连续刚构桥极限跨度研究[J]. 桥梁建设, 2017, 47(4): 72-77.
	Song Sui-di, Chen Ke-jian, Yuan Ming. Study of ultimate spans of continuous rigid-frame bridges with corrugated steel webs[J]. Bridge Construction,2017, 47(4): 72-77.
[8]	李宏江,万水,钱培舒,等. 波形钢腹板预应力混凝土箱梁的试验研究[J]. 中国公路学报, 2004,17(4): 34-39.
	Li Hong-jiang, Wan Shui, Qian Pei-shu, et al. Experimental study on prestressed concrete box girder with corrugated steel web[J]. China Highway Journal,2004, 17(4): 34-39.
[9]	丁勇, 江克斌, 林铸明, 等. 波形钢腹板PC组合箱梁弯扭复合作用下抗扭强度试验研究[C]∥第23届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册), 兰州,2014: 17-21.
	Ding Yong, Jiang Ke-bin, Lin Zhu-ming, et al. Experimental research on ultimate torsional strength of PC composite box girder with corrugated steel webs under torsion combined bending[C]∥Proceedings of the 23rd National Structural Engineering Conference (Volume II), Lanzhou, China, 2014: 17-21.
[10]	黄洪猛. 考虑剪切变形的波形钢腹板组合箱梁扭转和畸变理论及其应用[D]. 兰州: 兰州交通大学土木工程学院, 2023.
	Huang Hong-meng. Theory and application on torsion and distortion of composite box girders with corrugated steel webs considering shear deformation[D]. Lanzhou: School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, 2023.
[11]	李运生, 李孟彪, 王亚萍, 等. 钢-混凝土波形钢腹板组合梁弯扭性能研究[J]. 河北科技大学学报, 2022, 43: 99-109.
	Li Yun-sheng, Li Meng-biao, Wang Ya-ping, et al. Study on the bending and torsion performance of steel-concrete corrugated steel web beams[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2022, 43(1): 99-109.
[12]	Tan E L, Uy B. Experimental study on straight composite beams subjected to combined flexure and torsion[J]. Journal of Constructional Steel Research. 2009, 65(8): 784-793.
[13]	Nie J, Luo L, Hu S. Experimental study on composite steel-concrete beams under combined bending and torsion[J]. Composite and Hybrid Structures, 2000, 2: 631-638.
[14]	Colville J. Tests of curved steel-concrete composite beams[J]. Journal of the Structural Division, 1973, 99(7): 1555-1570.
[15]	Nie J, Tang L, Cai C. Performance of steel-concrete composite beams under combined bending and torsion[J]. Jouranal of Structural Engineering,2009, 135(9): 1048-1057.
[16]	Huang H, Chen K, Wu Q, et al. Experimental investigation on composite girders with CSW-CFST truss chords subjected to combined flexure and torsion[J]. Advances in Structural Engineering,2023, 26(8): 1468-1485.

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[1]	王方旭,刘世忠,杨霞林,姜宁,刘欣益,马驰. 考虑腹杆变形的钢桁腹组合箱梁挠度计算方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(8): 2619-2629.
[2]	周福成,张元海,魏彦红. 考虑钢腹板畸变翘曲应力分布范围影响的横向弯矩分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(11): 3498-3506.
[3]	王瑞正,张元海. 设置柔性横隔板的曲线波形钢腹板钢箱组合梁畸变效应[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(11): 3641-3652.
[4]	张朝,赵峥嵘,许有俊,聂绪致. 地基对预制综合管廊接头剪切变形及破坏特征的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(10): 3262-3273.
[5]	卜建清,郭至博,张吉仁,荀敬川,黄晓明. 多损伤钢-混组合梁桥力学性能有限元分析方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(6): 1621-1637.
[6]	毛亚娜,刘世忠,杏剑,杨华,焦峪波. 超高性能玻璃砂混凝土-高强钢筋粘结滑移特性及其声发射参数表征[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(6): 1686-1694.
[7]	韩智强,谢刚,周勇军,刘世忠,晋民杰. 曲线桥梁车桥耦合振动数值分析方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(2): 515-522.
[8]	朱劲松,秦亚婷,刘周强. 预应力UHPC-NC组合梁截面优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(11): 3151-3159.
[9]	陈伟宏,陈艳,洪秋榕,崔双双,颜学渊. BRBs加固震损装配式混凝土框架结构抗震性能试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(8): 1817-1825.
[10]	杨国俊,田骐玮,吕明航,杜永峰,唐光武,韩宗健,伏一多. 大跨度悬索桥隧道式锚碇力学特性研究综述[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(6): 1245-1263.
[11]	袁周致远,吉伯海,夏俊元,孙童. 钢箱梁横隔板-纵肋疲劳裂纹气动冲击维修试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(12): 2883-2891.
[12]	李春良,林志豪,赵珞珞. 铰缝及板损伤后对空心板桥横向受力的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(2): 611-619.
[13]	尼颖升,孙启鑫,马晔,徐栋,刘超. 基于空间网格分析的多箱室波形钢腹板组合梁腹板剪力分配[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1735-1746.
[14]	尼颖升, 孙启鑫, 马晔, 徐栋. 基于拉应力域的波形钢腹板组合梁承载力配筋计算[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 148-158.
[15]	尼颖升, 马晔, 徐栋, 李金凯. 波纹钢腹板斜拉桥剪力滞效应空间网格分析方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(5): 1453-1464.

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试验梁	混凝土抗压强度/MPa	波形钢腹板屈服强度/MPa	钢筋屈服强度/MPa	预应力筋拉伸强度/MPa
S-1	51.2	260	410	1 860
S-2	50.5	260	405
S-3	50.9	260	403