波形鋼腹板組合梁結(jié)構(gòu)特點與設(shè)計要領(lǐng)

梁匯偉

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司)

1 前言

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋最早起源于歐洲，上個世紀(jì)80年代中期，法國首先將波形鋼板應(yīng)用于實橋，成功地建成了全世界第一座波形鋼腹板箱梁橋— 科涅克橋(Cognac)。日本于90年代將此技術(shù)引入國內(nèi)，并加以推廣和開發(fā)，在公路、鐵路及城市軌道的高架橋建設(shè)中的到了廣泛應(yīng)用，到目前為止已建設(shè)了超過130座波形鋼腹板橋，并且在多種橋型中的了實踐，如2005年竣工的主跨為235m的預(yù)應(yīng)力斜拉橋——矢作川橋，2008年竣工的主跨為150.4m的連續(xù)剛構(gòu)橋——朝比奈川橋。

目前，國內(nèi)對波形鋼腹板組合梁的研究與實踐仍處于起步階段，通過科技工作者的理論分析及有針對性的實驗研究，對這種箱梁結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、扭轉(zhuǎn)與畸變、波形鋼腹板參數(shù)設(shè)計、屈曲特性、抗剪連接件設(shè)計與分析、橋面板的有效分布寬度、剪力滯效應(yīng)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性和橋梁設(shè)計與建造等專題有了一定的認(rèn)識，但仍未形成系統(tǒng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。自2005年以來，中國已建成的波形鋼腹板PC組合箱梁橋有江蘇淮安長征人行橋、河南光山潑河公路橋、重慶永川大堰河橋、山東東營銀座人行橋、青海三道河橋和寧波甬新河橋等。2007年后在建的橋梁有連霍國道主干線鄭州至洛陽高速公路上的英峪溝2號橋、大廣高速豫冀界至南樂段的衛(wèi)河大橋、河南新密溱水路大橋、山東鄄城黃河公路大橋、深圳南山大橋及平鐵大橋。其中深圳平鐵大橋采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)箱梁跨越現(xiàn)況鐵路，跨徑組合為(80+130+80)m，單幅梁寬達(dá)27m，采用懸臂澆筑施工，是目前中國在建的跨徑最大的一座波形鋼腹板PC組合箱梁橋。

2 結(jié)構(gòu)特點

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋就是用波形鋼板取代預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁混凝土腹板做成的箱梁橋，其結(jié)構(gòu)特點主要包括波形鋼腹板與體外力筋兩個方面，具體表現(xiàn)在：

(1)由于采用波形鋼腹板，使得箱梁總重量大為降低，根據(jù)研究，結(jié)構(gòu)自重可減少約30%，從而提高了預(yù)應(yīng)力的效率，減少了預(yù)應(yīng)力鋼材的用量;同時，可減少基礎(chǔ)及墩柱的荷載要求，使得下部結(jié)構(gòu)材料可以大大減少，墩柱可做的更輕盈、美觀。

(2)與普通平板式鋼腹板相比，波形鋼腹板的剪切屈曲強度顯著增大，且板厚能減薄，同時屈曲強度可通過增大波形鋼腹板的波高而得到提高。

(3)波形鋼腹板具有褶皺效應(yīng)(波形板沿橋軸方向可自由變形)，使導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力時不受抵抗，大大提高預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，并對上、下翼板混凝土的徐變、干燥收縮產(chǎn)生的變形，不起約束作用，減少由此帶來的預(yù)應(yīng)力損失。

(4)波形鋼腹板橋頂?shù)着c腹板的材質(zhì)差異，波形腹板褶皺所產(chǎn)生的光影變化，使得結(jié)構(gòu)具有較強的美感。

(5)采用體外力筋方式，可免除在混凝土瘦扳內(nèi)預(yù)埋管道的煩雜工藝，同時體外力筋可以替換，有利于橋梁的維夠與補強。

(6)由于波形鋼腹板有效降低上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，抗震性能優(yōu)越，由此可以理解，在日本等地震多發(fā)國家該結(jié)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用及推廣。

3 設(shè)計內(nèi)容

波形鋼腹扳預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁作為一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，在設(shè)計與施工中都有諸多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，其結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容大致如下。

(1)設(shè)置體外力筋組合箱梁飯限承載能力的確定。

(2)體外力筋的振動與疲勞特性。

(3)體外力筋用的中間導(dǎo)向塊及錨固端處的結(jié)構(gòu)設(shè)計。(4)體外力筋的防蝕措施。

(5)波形鋼腹扳合理波形尺寸的選擇。

(6)波形鋼腹板的防腐措施。

(7)波形鋼腹板剪切屈曲形式及其屈曲強度的計算方法。

(8)波形鋼腹扳與上、下混凝土翼板接合部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 設(shè)計要領(lǐng)

(1)主梁設(shè)計

對主梁自重產(chǎn)生的內(nèi)力可以簡單地按梁理論計算，而對后期恒載與活載的作用建議按梁格結(jié)構(gòu)有限元法計算。主梁彎曲強度應(yīng)滿足主梁截面的破壞彎矩大于極限荷載作用時產(chǎn)生的最大彎矩。波形鋼腹板無軸向剛度，且其彎曲剛度也遠(yuǎn)較上下混凝土翼板小，因而與一般混凝土箱梁相比，波形鋼腹板式組合箱梁在扭轉(zhuǎn)作用下的截面變形是不容忽視的。其抗扭計算可參照一般鋼板粱的計算方法。

波形鋼腹板式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁多采用體內(nèi)、體外并用的混合式預(yù)應(yīng)力筋布置方式。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋在下混凝土翼板內(nèi)按直線布筋，而體外預(yù)應(yīng)力筋通過設(shè)置的中間轉(zhuǎn)向塊向支座上方彎起。設(shè)計中一般體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)梁體自重及頂推施工時的荷重;體外預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)后期恒載及活載的作用。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋按一般常規(guī)方法計算;對體外預(yù)應(yīng)力筋，當(dāng)中間轉(zhuǎn)向塊及錨固端處采用高密度聚乙烯套管時，摩擦系數(shù)可取用μ=0.15。計算混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失時，要考慮體內(nèi)、體外力筋先后張拉間的相互影響。對于體外預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力值的計算，建議采取日本提出的近似公式，即

式中：Pl為有效預(yù)拉力，P0為預(yù)拉力，r為預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力檜弛率，n為預(yù)應(yīng)力筋彈性模量E與混凝土彈性模量之比，ρP為預(yù)應(yīng)力筋的配筋率，即AP/AC，AP為預(yù)應(yīng)力筋截面積，AC為混凝土截面積，φ為箱梁中翼板混凝土的徐變系數(shù)，χ為時效系數(shù)，可取為0.8，εcμ為混凝土干燥收縮率。

波形鋼腹板主要承擔(dān)主梁彎曲時的剪切作用，在剪力作用下波形鋼腹板的應(yīng)力校核應(yīng)包括三項內(nèi)容，即鋼板的剪應(yīng)力強度校核、剪應(yīng)力作用下局部屈曲應(yīng)力校核及剪應(yīng)力作用下沿腹板高度方向的整體屈曲應(yīng)力的校核。鋼腹扳的剪應(yīng)力強度校核可按通常材料力學(xué)的公式進(jìn)行，剪切作用下局部屈曲應(yīng)力可采用將波形鋼腹板的彎折邊視為鉸接的公式計算，即

式中：τcr為剪切局部屈曲應(yīng)力，E為鋼腹板彈性模，μ為鋼腹板泊桑比，k為按b/a由有關(guān)曲線查得的系數(shù)，a為波形鋼腹板相鄰兩彎折邊聞鋼板的長邊，b為波形鋼腹扳相鄰兩彎折邊間鋼板的短邊，t為鋼腹板厚。

剪切作用下整體屈曲應(yīng)力可采用按正交異性板處理的John T.Easley公式計算，即

式中：Ncr為波形鋼腹板單位長度的剪切屈曲荷重，E為鋼腹板的彈性模量，Ix、Iy為鋼腹板截面的慣性矩，t為鋼腹板的板厚，h為鋼腹板的高度;1.0≤β≤1.9，當(dāng)鋼腹板高度的兩端視為鉸接時取β=1.0，視為固定端時取β=1.9。

波形鋼腹板與上、下混凝土翼板的連接是該結(jié)構(gòu)最重要的設(shè)計內(nèi)容，抗剪連接件可采用埋入式連接、角鋼剪力鍵連接、雙開孔鋼板連接件連接(Twin-PBL連接)及單開孔鋼板與栓釘?shù)牟⒂眠B接(S-PBL連接+栓釘連接)等方式。對作用于波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接部的橋軸方向的水平剪力，應(yīng)驗算設(shè)計荷載作用時，以及極限荷載作用時的安全性，安全性驗算標(biāo)準(zhǔn)為作用于連接部的剪力應(yīng)小于抗剪連接件的容許剪力以及極限屈服強度。對發(fā)生于連接部的與橋軸成直角方向的彎矩，必須驗算設(shè)計荷載作用時以及極限荷載作用時的安全性，安全性的驗算標(biāo)準(zhǔn)為使角隅彎矩所引起的應(yīng)力在限制值以下。

(2)橫梁設(shè)計

波形鋼腹板式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁與通常的PC箱梁橋相比扭轉(zhuǎn)剛度較小，要在支座處設(shè)置端橫梁及在梁跨適當(dāng)位置設(shè)置橫隔板，由此可增加主梁的抗扭剛度。端橫梁上布置有預(yù)應(yīng)力鋼索的錨固端，端橫梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，除在設(shè)計荷重作用下受彎曲作用(由前述梁格結(jié)構(gòu)有限元法計算)外，尚在端橫梁與橋面板的結(jié)合部受到體外預(yù)應(yīng)力索產(chǎn)生的剪切力以及設(shè)置在橋面板內(nèi)的橫向預(yù)應(yīng)力筋對端橫梁的偏心壓力所產(chǎn)生的彎曲作用。

體外預(yù)應(yīng)力鋼索用的偏心轉(zhuǎn)向塊通常采用鋼筋混凝土中間隔板式結(jié)構(gòu)，偏心轉(zhuǎn)向塊主要承受體外預(yù)應(yīng)力鋼索產(chǎn)生的上拔力，在上拔力作用下應(yīng)對中間隔板與下翼板的連接部強度、下翼扳的彎曲強度及埋置于中間隔板中的管道(穿放體外預(yù)應(yīng)力筋)的頂部處混凝土局部承壓強度作驗算。

(3)橋面板設(shè)計

橋面扳采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，下翼板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上、下翼飯的內(nèi)力可參照箱形梁截面。

橫向設(shè)計法計算，但是因波形鋼腹板的剛度比通常的PC箱梁要小，設(shè)計中要考慮這一不同點的存在，橋面板厚度宜大于一般PC箱梁橋。同時，因為橋面板是受到直接輪載的影響，為了確保較高的疲勞耐久性，在可變荷載作用時不會發(fā)生裂縫，其應(yīng)力要控制在裂縫發(fā)生的極限狀態(tài)以內(nèi)，可按鋼筋的容許單位應(yīng)力為120N/mm2來計算確定鋼筋的配置。

5 結(jié)語

波形鋼腹板式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁所具有的獨特的結(jié)構(gòu)特點，表明了在橋梁上應(yīng)用鋼一混組合結(jié)構(gòu)的強大生命力。采用波形鋼腹板相當(dāng)可觀地減輕了橋梁的自重，對于長大跨橋梁無疑是極其有利的，同時在減少現(xiàn)場施工作業(yè)、縮短工期上的經(jīng)濟效益也是十分明顯的。法國、日本在該項新結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用上走在世界的前列，隨著中國對波形鋼腹板PC組合箱梁結(jié)構(gòu)研究的不斷深入和應(yīng)用技術(shù)的成熟，它將在中國的橋梁工程中得到愈來愈廣的應(yīng)用。

［1］ 陳宜言.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計與施工［M］.人民交通出版社，2009.

［2］ 徐強，萬水.波形鋼腹板PC組合箱梁橋設(shè)計與應(yīng)用［M］.人民交通出版社，2009.

［3］ 蔡千典，冉一元.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力結(jié)合箱梁結(jié)構(gòu)特點的探討［M］.橋梁建設(shè)，1994.

［4］ 朱純偉，朱越峰.波形鋼腹板箱梁橋設(shè)計驗算方法介紹［J］.工程技術(shù)，2008.