波形鋼腹板PC組合箱梁抗剪與抗彎問題分析

盛久毅

【摘 要】縱觀可知，體波形鋼腹板PC組合箱梁隸屬于一種新型的鋼混組合結構，在法國以及日本等國家廣泛普及應用，相較于傳統意義上的預應力混凝土箱梁而言，此種結構優勢包括受力明確且自身重量輕、施工周期相對較短且跨越能力較強、造型型態優美等；對比平鋼腹板組合箱梁，其優勢在于無需進行縱向加勁肋設置來預防腹板曲屈。在此，本文將針對波形鋼腹板組合箱梁抗剪與抗彎問題進行簡要分析。

【關鍵詞】波形鋼腹板 組合箱梁 抗彎 抗剪計算

1前言

近年來，波形鋼腹板組合箱梁橋以其受力明確、經濟、施工便捷、橋型美觀等多個方面應用優勢逐步得到我國工程界認可。目前，雖然我國對該種結構進行了一定的科學研究和工程應用，但相對于其它成熟的橋梁結構，不管是計算理論、還是實踐經驗都有待進一步完善。

波形鋼腹板組合箱梁是將混凝土腹板以波形鋼腹板來取代，再經抗剪連接件將其同混凝土的頂板、底板連結在一起的一種新型結構，其主要由以下幾部分構成，分別為波形鋼腹板、體內外預應力筋以及混凝土頂底板和橫隔板等。由于波形鋼腹板對軸向力幾乎沒有抵抗，因而混凝土頂板以及底板所承受的預加力較多。另外，當箱梁的頂板或底板受干燥收縮、徐變后，波形鋼腹板對由此造成的變形約束力有限，這樣使得預應力損失大大降低。同時，波形鋼腹板組合箱梁在橋梁施工中有著廣泛應用與發展，但不足之處在于，尚無具體的橋梁設計可參照的統一規范和標準。為此，本文將針對波形鋼腹板組合箱梁抗剪及抗彎問題進行探討。

2 波形鋼腹板組合箱梁簡述

波形鋼腹板其最早來源于集裝箱卡車，通過采用波形折板來加強集裝箱的側板剛度。隨后，研究人員經過不斷研究波折形狀的有關參數，最終得以將研究成果在橋梁施工組合箱梁中實現應用。相較于混凝土腹板箱梁，最大的改變就是把波形鋼腹板用在了橋梁工程中，避免了長久以來大量混凝土箱梁腹板開裂問題。冷彎加工是制造波形鋼腹板的主要工藝，因而制作過程中必須確保鋼材的抗沖擊性和韌性。

直板段和斜板段是波形鋼腹板的主要組成部分。由圖1可知，直板段的長度即 以及斜板段的長度 、波高 和板厚 是幾個重要的參數。最大剪力決定了波形鋼腹板板厚程度，通常橋梁施工中所用的波形鋼腹板其板厚度至少在8毫米及以上。

通過對比傳統預應力混凝土箱梁與平鋼腹板組合箱梁、槽形截面鋼箱梁+混凝土橋面板等，波形鋼腹板PC組合箱梁的競爭優勢為：自重較低且可實現良好抗震，受力明確，可將材料性能充分發揮；使用體外索可實現便捷替換有利于維修補強，預防腹板開裂并具有良好耐久性；抗剪承載力大大增強，不設置縱向加勁肋進而實現腹板厚度的減小，混凝土徐變收縮以及溫度變化不會對截面應力重新分布產生較大影響；三維柔韌性良好可實現腹板便捷裝配；所需使用的鋼材數量相對較少，對應造價明顯降低；在連續剛構以及連續梁等擁有正負彎矩交替的結構中更為適用，預應力加載效率提升。

3波形鋼腹板組合箱梁抗剪、抗彎與疲勞特性

3.1抗彎

受軸向力的影響，波形鋼腹板能產生巨大變形，這時鋼板的彈性模量（用E表示）同實際的軸向彈性模量（用EX表示）比起來要大。為研究波形鋼腹板的有效彈性模量，選取一單位波長波形鋼腹板，用H表示波形鋼腹板的高度；h表示波峰和波谷的高度差，即波高；t表示鋼板厚度。

根據虛功原理，可以獲得受外荷載作用時鋼腹板軸向變形公式 ，

軸向力P作用于波形鋼腹板的彎矩[1-2]，如圖2所示。

波形鋼腹板軸向變形為： （1）；等長度平鋼板軸向變形為， （2）。其中，波形鋼腹板抗彎慣性矩為I=Ht3/12，平鋼板的截面面積為A=Ht。根據EX/E= 2/ 1，把公式（1）和公式（2）代入前式可得出波形鋼腹板的有效彈性模量，即

（3）

對1200型波形鋼腹板來說，b為330毫米，d為270毫米，h為200毫米，a為330毫米，t為12毫米，將這些數字代入到公式（3）中，可得出EX=E/611，因此在波形鋼腹板箱梁組合結構的抗彎計算里，波形鋼腹板的功勞幾乎能夠忽略不計，因而只需將頂板和底板對中性軸的抗彎作用考慮進去即可，表1是部分已經建成的波形鋼腹板箱梁橋的波形腹板縱向剛度計算實例對比。

3.2抗剪

國內外研究證明[3-4]，波形鋼腹板組合箱梁截面的剪力多是通過波形鋼腹板進行承擔的，沿著腹板高度剪應力不會發生較大變化，因此能夠看作是均勻分布，順著梁高的剪應力如圖3所示，對應公式是：

在此公式中， 為荷載作用下剪力， 是預應力斜鋼筋承擔的剪力， 表示的是腹板截面面積。由于波形鋼腹板組合箱梁橋的混凝土頂板及底板剪切變形情況引起的撓度相對較小，通常不予考慮。然而，傳統混凝土箱梁腹板剪切變形引起撓度較小，進而能夠忽略不計，但波形鋼腹板厚度較薄，對應剪切變形導致的撓度很大，通常不能忽視。把平板鋼彎曲成為波形以后，對應剪切模量大大降低，相應的剪切模量計算公式是 ，其中， 表示的是鋼材剪切模量；整個截面的剪切剛度計算公式是 。

3.3疲勞性

材料的疲勞損傷可以看作為基于疲勞荷載的不斷循環導致材料性能發生逐步退化的進程。縱觀整個過程，材料的剩余強度處于降低狀態，一旦其低至循環應力的最大限值時，則會形成疲勞損壞情況。事實上，由于受到重復荷載作用，材料強度在逐漸衰退的同時，材料的變形模量、彈性模量、泊松比以及極限壓應變等均伴隨著累積疲勞損傷的加大而逐步變化。因此，在對結構承受疲勞損傷之后的剩余承載能力進行合理評估的時候，原來的材料本構關系已經難以適用，需要進一步研究各材料的退化模式才能獲得較準確的結果。

研究表明[5]，當波形鋼腹板組合箱梁發生疲勞破壞時，裂縫部位多形成于波形鋼腹板平行折板以及斜折板相接位置處，這個位置所形成的軸向剛度突變會導致出現應力集中情況，進而催發疲勞破壞。運用翼緣型連接件的波形鋼腹板組合箱梁的腹板及鋼蓋板的應力狀態與波形鋼腹板鋼梁具有一致性。通過試驗數據擬合曲線以及基于斷裂力學進行S-N曲線計算合理推導組合箱梁的疲勞損傷時，所得結果接近試驗值。設計波形鋼腹板組合箱梁的過程中，綜合考慮有限疲勞壽命因素，計算設計建議選用安全性能高的AASHTO規范中的C類標準。

4 算例

實例模型梁全長為7.8m的簡支箱梁，計算跨徑7. 5 m。如圖4所示，梁高480mm，頂板寬度1000mm，底板寬度是550mm，頂板厚度是75mm，底板厚度是70mm。其中，混凝土抗壓設計強度 =23MPa ，采用體外預應力索與體內非預應力筋配束方式。體外預應力索采用直徑15.24 mm 的7 5的鋼絞線12 根，鋼絞線的抗拉標準強度 =1470MPa ， 抗拉設計強度 =1000 MPa ， =395mm 。頂板配6 根直徑為12毫米的Ⅱ級鋼筋作為縱向受力鋼筋， 底板配有8根直徑為16毫米的Ⅱ級鋼筋作為縱向受力鋼筋， =30mm ， =460mm 。等效矩形應力分布的受壓區高 。頂板有效分布寬度 。截面有效高度 。體外預應力索極限應力為 。

圖4結構布置圖（單位：mm）

其抗彎承載能力為（綜合考慮偏載效應，計算得出承載能力按90%實施折減）：

式中：

--普通鋼筋設計強度； --拉區普通鋼筋面積； --受拉區普通鋼筋重心至梁上緣的距離； --受壓區鋼筋重心至頂板上沿距離； ---體外預應力鋼筋的極限應力； --體外預應力鋼筋面積； --體外預應力鋼筋重心至梁上緣的距離； --混凝土軸心抗壓設計強度； --頂板有效分布寬度； --等效矩形應力分布的受壓區高度； 、 ---分別表示混凝土與鋼筋的材料安全系數，按公路橋規取 = =1.25。

5 結語

綜上可知，波形鋼腹板組合箱梁結構頗具使用潛力，國外推廣應用該種結構進展已經十分顯著。我國現今就此展開的研究尚處于起步階段，相關理論基礎不甚充分，亟待深入開展合理有效的課題研究，旨在實現波形鋼腹板組合箱梁結構的優化應用。

參考文獻：

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[4]李杰，武海鵬，陳淮.波形鋼腹板變截面連續體系梁橋鋼腹板承剪分析[J].橋梁建設，2015年01期.

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