波紋鋼腹板PC組合箱梁橋埋入式連接件的設計探討

劉曉琴，童登國

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

波紋鋼腹板預應力混凝土箱梁顧名思義就是用波紋鋼板取代預應力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。其顯著特點是用12 mm左右厚的鋼板取代30～80 cm厚的混凝土腹板。可見，波紋鋼腹板預應力混凝土箱梁可以看成是通過剪力連接件將混凝土頂底板與波紋鋼腹板連接起來共同受力的組合結構。在鋼與混凝土組合梁中，剪力連接件對組合梁的承載力和變形發展起著重要的作用，它是保證鋼構件和混凝土形成整體而共同受力和協調變形的重要手段。主要作用有兩個:一是承受并傳遞鋼構件與混凝土之間的縱向剪力，約束二者水平相互滑移;二是抵抗混凝土與鋼構件之間的豎向掀起。剪力連接件設計的合理與否直接關系到整個組合梁的承載能力，是設計的關鍵環節。

波紋鋼腹板與混凝土頂底板的剪力鍵形式多種多樣，主要采用的為釘柱連接件、PBL連接件、Twin－PBL連接件及埋入式連接件。波紋鋼腹板與混凝土頂底板最初是通過釘柱連接件結合在一起的，例如日本的新開橋及我國江蘇省淮安市的長征橋，參見圖1。中野高架橋和谷川橋在波紋鋼腹板同混凝土頂板的結合中采用了PBL連接件，參見圖2。在單個PBL連接件的基礎上發展起來，整體剛度和抗剪強度都得到了進一步加強的Twin－PBL連接件也應用很廣，例如日本的日見橋，參見圖3。本谷橋是日本第一座波紋鋼腹板PC連續剛構橋，該橋首次使用了埋入式連接件，之后的很多波紋鋼腹板PC組合箱梁橋的剪力鍵設計都采用了該方法。我國首座波紋鋼腹板簡支箱梁公路橋—大堰河中橋、我國河南潑河大橋以及作為本文工程背景的鄄城黃河公路大橋均采用了該種連接方式，參見圖4。這種結合方法比較獨到新穎，它考慮到波紋鋼板自身的特點，利用被埋入混凝土中的波紋鋼板的斜向面板(作為抗剪結合鍵有效地發揮作用)、在縱向焊接的接合鋼筋、貫穿鋼筋以及Leonhardt混凝土抗剪銷來抵抗和傳遞剪力，阻止腹板與頂底板發生相對位移。同時，沿縱橋向焊接在腹板端部的兩根鋼筋也有承擔腹板面外彎矩的作用。

1 工程概況

山東鄄城黃河公路特大橋主橋為(70 m+11×120 m+70 m)波紋鋼腹板PC組合箱梁橋。該橋是一座全封閉、全部控制出入的雙向四車道高速公路特大橋，上、下行分離，單幅橋寬13.5 m，兩幅橋間凈寬1.0 m，橋梁全寬28 m，設計速度120 km/h。

這是一種新型的鋼與混凝土組合結構，它采用波紋鋼腹板來代替傳統的混凝土腹板，充分利用了鋼與混凝土的材料特性，上部結構自重減輕了20%，提高了橋梁抗震性能，從根本上就杜絕了傳統的預應力混凝土箱梁腹板開裂通病的發生。

2 埋入式剪力連接件的設計流程

對剪力連接件的設計，需要考慮兩方面的內容:(1)驗證設計荷載作用于剪力連接件的剪力小于容許剪力Qa;(2)以剪力連接件的剪切極限強度Qu來驗證其安全系數。

鄄城黃河公路特大橋波紋鋼腹板與頂底板的連接采用了埋入式連接件。下面將引用日本的研究成果，分析埋入式連接件的設計流程。

2.1 設計荷載作用下結合部水平縱向剪力

式中:Hv為設計荷載作用下沿橋軸方向單位長水平縱向剪力(N/m);Q為斷面處作用的豎向剪力(N);S為主梁上部混凝土斷面對中性軸的面積矩;I為主梁斷面的慣性矩(m4);St為扭轉作用下沿橋軸方向單位長產生的剪力(N/m)。

由式(1)可以看出:欲求出設計荷載作用下的結合部水平縱向剪力，必須首先進行全橋計算，確定設計截面處設計荷載作用下的豎向剪力及扭轉剪力。

2.2 抗剪結合鍵的設計

圖5 抗剪結合鍵示意圖

抗剪結合鍵在設計荷載時的容許剪力為:

式中:Qa為抗剪結合鍵的容許剪力(N/板);A1為抗剪結合鍵的正面積(mm2)，A1=埋入長度×波高;A2為和抗剪結合鍵共同作用的接合鋼筋的截面積(mm2);μ為與接合鋼筋和波紋鋼腹板的夾角 θ1有關的系數，θ1=90°為 0，θ1=45°為0.7，θ1=0°為1;σsa為鋼筋的容許拉應力(MPa);σ1為混凝土板的容許承壓應力(MPa)，σ1=(0.25+0.05A/A1)σcd，A=b0×h0且A＜5A1;σcd為混凝土的抗壓設計強度(MPa)。

2.3 抗剪結合鍵的安全系數

驗證安全系數時，應考慮荷載組合1.7×(D+L)

式中:D為恒載產生的剪力;L為活載(含沖擊)產生的剪力。

式中:Qu為抗剪結合鍵的剪切強度(N/板);σck為混凝土的抗壓標準強度(MPa);σsy為接合鋼筋的屈服應力(MPa)。

2.4 混凝土抗剪銷(孔)的設計方法

根據Leonhardt混凝土抗剪銷三種破壞方式的抗剪強度研究，限制混凝土抗剪銷的最小直徑和間距，以及貫穿鋼筋的最小直徑，保證混凝土抗剪銷的破壞是剪切引起的，不會發生混凝土抗剪銷的受壓開裂破壞及孔間鋼板的剪切破壞。

2.4.1 混凝土的剪切破壞

每個具有兩個剪切面的混凝土抗剪銷的極限剪切強度

式中:φ為混凝土抗剪銷的最小直徑(mm)。

將式(4)乘以0.7，得到每個具有兩個剪切面的混凝土抗剪銷的設計剪切強度Vs1:

2.4.2 混凝土抗剪銷的開裂破壞

為避免混凝土抗剪銷的壓壞(開裂)，應保證:

式中:t為波紋鋼腹板的厚度(mm);7.5為表示由于混凝土受到三向約束，容許開裂應力可以是混凝土抗壓強度的7.5倍。

2.4.3 孔與孔之間鋼板的剪切破壞

為防止沿孔的中心線發生剪切破壞，應保證:

式中:σsy為鋼板的屈服強度(MPa);As為兩個孔之間的鋼板部分面積(mm2)，As=f×t，f為兩個孔之間凈距。

2.4.4 貫通鋼筋的最小量

穿過孔的貫通鋼筋約束著鋼板周圍的混凝土，使孔中的混凝土受到三向約束。貫通鋼筋的最小量為:

式中:Ast為在每個孔位穿過的貫穿鋼筋最小截面積(mm2)。

由公式(1)～(8)可以看出，埋入式連接件的設計流程如下:

(1)進行全橋分析，確定計算截面處的最不利豎向剪力;

(2)計算設計荷載作用下結合部水平縱向剪力;

(3)計算擬定抗剪結合鍵的容許剪力Qa及極限剪力Qu，確定連接安全性及安全系數;

(4)設計混凝土抗剪銷(孔)。

3 鄄城黃河公路特大橋埋入式連接件的設計驗算

根據埋入式連接件的設計流程，本節對鄄城黃河公路特大橋埋入式連接件進行驗算。

3.1 結合部水平縱向剪力計算

本橋墩頂為混凝土腹板，距墩頂5 m范圍內為鋼－混凝土組合腹板，其它部位為波紋鋼腹板。本文采用大型有限元分析軟件MIDAS建立梁單元模型，波紋鋼腹板箱梁節段截面類型選用“鋼腹板箱梁”，材料選用“組合材料”。

經過計算:設計荷載作用下，波紋鋼腹板箱梁節段控制截面的最大豎向剪力為8 588 kN，對應的扭矩為0 kN·m，求得結合部水平縱向剪力Hv=681 kN/m;最大扭矩為2 975 kN·m，對應的豎向剪力為7 016 kN，求得結合部水平縱向剪力Hv=1 070 kN/m。1.7×(D+L)荷載組合下，波紋鋼腹板箱梁節段控制截面的最大豎向剪力為14 600 kN，對應的扭矩為0 kN·m，求得結合部水平縱向剪力Hv=1 168 kN/m;最大扭矩為5 057 kN·m，對應的豎向剪力為11 927 kN，求得結合部水平縱向剪力Hv=1 818 kN/m。

3.2 抗剪結合鍵在設計荷載時的容許剪力Qa及極限剪力Qu計算

鄄城黃河公路特大橋波紋鋼腹板與頂底板采用埋入式連接件結合。采用1600型波紋鋼腹板，波高為220 mm;埋入混凝土部分長度為350 mm;鋼板開孔直徑為50 mm，鋼板孔縱向中心距為150 mm。控制截面的鋼板厚度為16 mm，b0=650 mm，h0=900 mm。縱向接合鋼筋為HRB400鋼筋，直徑為28 mm，容許拉應力280 MPa，屈服強度為400 MPa;C50混凝土抗壓設計強度為22.4 MPa，抗壓標準強度為32.4 MPa。

將上述參數代入公式(2)，得到抗剪結合鍵的容許剪力為Qa=1 159 kN/m，大于1 070 kN/m，滿足安全性要求。

將上述參數代入公式(3)，得到抗剪結合鍵的極限剪切強度Qu=1 921 kN/m，大于1 818 kN/m，滿足要求。

3.3 混凝土抗剪銷(孔)的設計

控制截面波紋鋼腹板厚度為16 mm，混凝土抗剪銷直徑為50 mm，兩個孔之間凈距為100 mm，混凝土標準抗壓強度為32.4 MPa，貫穿鋼筋屈服強度為335 MPa。代入公式(5)～(7)，得到混凝土抗剪銷的設計剪切強度Vs1=145 kN;壓壞(開裂)強度Vs2=194 kN;孔與孔之間鋼板的剪切破壞強度Vs3=516 kN。

可見，Vs1＜Vs2且Vs1＜Vs3，混凝土抗剪銷既不會發生孔間鋼板的剪切破壞，也不會發生抗剪銷孔內混凝土的壓壞，只會發生混凝土抗剪銷的剪切破壞。

貫通鋼筋的最小量 Ast≥(0.8×Vs1)/σsy=346 mm2，即貫穿鋼筋直徑應大于21 mm。

4 結束語

通過上述計算分析過程，得到一些適用于波紋鋼腹板PC箱梁的設計通用結論，以供參考。

(1)設計波紋鋼腹板PC組合箱梁橋埋入式連接件時主要考慮兩個方面:一是考慮埋入混凝土的波紋鋼板的斜向面板作為抗剪結合鍵有效地發揮作用;二是考慮在縱向焊接的接合鋼筋來抵抗和傳遞剪力，阻止腹板與頂底板發生相對位移。

(2)設計波紋鋼腹板PC組合箱梁橋埋入式連接件時，不計入實際上參與抗剪的混凝土抗剪銷的作用，只將其視為一種安全儲備。

(3)對于波紋鋼腹板PC組合箱梁橋埋入式連接件，抗剪結合鍵的設計容許剪切強度與波紋鋼腹板的板厚及高度無關。對于一座特定的橋梁，沿全橋是一個定值，最大豎向剪力及扭矩作用處控制剪力連接件的設計。

(4)對于一座特定的橋梁，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋埋入式連接件的設計極限剪切強度沿全橋是一個定值。

［1］孫筠.波紋鋼腹板體外預應力組合箱梁剪力連接件實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006

［2］王連廣.鋼與混凝土組合結構［M］.北京:科學出版社，2005

［3］雷昌龍.鋼－混凝土組合橋中新的剪力連接器的發展與試驗［J］.國外橋梁，1999(2):64－68