波形鋼腹板連續箱梁橋在國內的研究和應用

姬 小 偉

(山西誠達公路勘察設計有限公司，山西 太原 030012)

波形鋼腹板連續箱梁橋在國內的研究和應用

姬 小 偉

(山西誠達公路勘察設計有限公司，山西 太原 030012)

波形鋼腹板箱梁橋有自重輕、抗震性能好、造型美觀等優點，在國內外得到了快速發展，對該橋型的結構、受力、施工等特點進行了簡述，對其在國內的發展前景進行了探討，希望促進其更廣泛推廣應用。

波形鋼腹板，連續箱梁，結構特點，力學特性

0 引言

波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋是采用波形鋼腹板替代鋼筋混凝土腹板，是現代橋型結構中一種采用體外預應力技術的新型“鋼—混凝土”組合結構，簡稱波形鋼腹板箱梁橋。它最早起源于法國，在日本得到快速發展和深入的研究。我國也先后建成了近百座該型橋，該橋型具有結構設計規范化、抗震性能好、預應力使用效率高、施工速度快、耐久性能好、造型美觀等絕佳優勢。本文將對該型橋的結構特點、受力特點、施工性能等進行簡述，對其在國內的發展前景進行探討，希望能引起更廣泛的關注，促進其在國內推廣應用。波形鋼腹板箱梁結構示意圖見圖1。

1 國內外設計研究現狀

20世紀80年代，法國CB公司開始進行大量的模型試驗和詳細的理論分析，確定波形鋼腹板箱梁的鋼腹板抗剪、抗扭及穩定性等受力特點后，于1986年在法國建成了Cognac橋，該橋為世界上第一座波形鋼腹板箱梁橋。隨后，德國、韓國、日本等國也都大量修建(見表1)。其中日本先后建造近200座。

表1 國外部分有代表性波形鋼腹板箱梁橋

我國對波形鋼腹板箱梁橋的研究起步較晚，從20世紀90年代才開始進行相關研究。但是發展很快，近十幾年來我國相關科研單位對于該型橋的特性、設計和施工方法進行了試驗研究和理論分析，并走向成熟，于2005年建成了第一座該型橋——長征橋。目前，國內已建和在建的該型橋梁已達百余座(見表2)。

現在，國內已有《組合結構橋梁用波形鋼腹板》等部頒和地方性規范，為以后波形鋼腹板箱梁橋的設計建造提供了技術支持。

表2 國內部分具有代表性的波形鋼腹板箱梁橋

2 波形鋼腹板箱梁橋的結構特點

2.1 波形鋼腹板是波形鋼腹板箱梁橋中最具特點的構件

隨著橋梁跨徑的不斷增大，梁體高度不斷增高，腹板也相應增高。波形鋼板其截面厚度范圍一般僅為10 mm～22 mm，只相當于普通鋼筋混凝土腹板厚度(300 mm～100 mm)的幾十分之一，因此其破壞形式也由混凝土腹板的強度破壞變為波形腹板的失穩破壞。

2.2 波形鋼腹板的構造形式

波形鋼腹板通常由板材或卷材彎折而成型，其控制幾何參數主要有：波形鋼板的高h,直板段的寬度a1，斜板段投影寬度a2，斜板段寬度a3,鋼板厚度t，波形鋼板波的高度d等。

波形鋼腹板構造示意圖見圖3。

2.3 波形鋼腹板的連接

1)波形鋼腹板與鋼筋混凝土板連接方式通常為：埋入式連接法、栓釘連接法、雙開孔板連接法、單開孔板連接法、角鋼連接法、單開孔板+栓釘連接法；

2)波形鋼腹板與鋼筋混凝土中橫隔梁通常采用焊釘連接法；

3)波形鋼腹板與內襯混凝土連接件一般可采用焊釘連接件連接；

4)波形鋼腹板之間連接采用搭接連續貼角焊接頭。

3 波形鋼腹板箱梁橋的力學特性

3.1 抗彎性能分析

波形鋼腹板在軸向力作用下變形能力非常強，就會使軸向有效彈性模量Ex降到極低，見下式：

其中，E為波形鋼板的彈性模量；t為波形鋼板厚；h為板高；a為波形形狀系數。

由上式可知波形鋼腹板實際彈性模量在軸向的分量只有幾百分之一甚至幾千分之一的鋼板彈性模量,基本不具備抗彎能力，彎矩由混凝土頂、底板承受。

3.2 剪力下的屈曲分析

20世紀90年代美國德雷克塞爾大學對波形鋼腹板試驗梁進行了深入的試驗研究，試驗結果表明：波形鋼腹板梁的剪力全部由腹板承擔，且波形鋼腹板的破壞由屈曲造成；當波形比較密集時，由整體屈曲強度來控制；當波形比較稀疏時，由局部屈曲來控制；在屈曲的過程之中，可能伴隨合成屈曲。這三種剪切屈曲破壞模式如圖4所示。

3.3 梁體的扭轉分析

波形鋼腹板箱梁橋主梁因偏心荷載的作用而產生扭轉變形。因波形鋼腹板的縱向剛度極小，扭矩作用幾乎完全由上、下混凝土板來協調。而且在扭矩作用下產生相反的水平橫向力，使頂、底板產生彎矩，使腹板中產生附加扭轉剪應力。因此，為控制梁體截面的扭轉變形，在適當的位置設橫隔板，以抵消翼緣板翹曲應力和鋼腹板上的剪應力(見圖5)。

綜上，可得出以下結論：波形鋼腹板不承受彎矩的作用，抗彎性能可以忽略；波形鋼腹板箱梁中的彎矩與剪力之間互不影響。

4 波形鋼腹板箱梁橋的優勢

波形鋼腹板箱梁橋與普通預應力混凝土箱梁橋相比較，具有以下優點。

4.1 梁體自重降低、節約材料、提高經濟指標、提高抗震性能

由于采用輕質的波形鋼腹板取代厚重的混凝土腹板，使得上部結構的自重大幅度減少，箱梁自重減少20%～40%，在增大橋梁跨徑的同時使橋梁結構的工程材料用量減少，從而使工程總造價得到了降低；因箱梁自重減少，使橋梁的抗震性能得到一定的增強，從而可進一步增大橋梁跨徑。

4.2 改善了結構受力體系，提高了預應力使用效率

因為波形鋼腹板的褶皺效應，其縱向剛度比較低，幾乎無法抵抗軸向力，這樣波形鋼腹板無法約束混凝土頂、底板的徐變與收縮，使預應力的損失減到最小；所有的預應力全部施加到了混凝土頂底翼緣板上，顯著提高了施加預應力的效率，簡化了梁體的受力分析。

4.3 充分發揮材料潛能和使用效率

波形鋼腹板的軸向剛度較低，抗剪強度卻較高，非常適合承擔剪力，而混凝土頂、底翼緣板的軸向強度較高，抗剪強度較低，適合來承擔軸向力。將兩種不同力學特性結構組合為一體，同時工作，物盡其能，結構效率均得到提高。

4.4 施工工序少，施工進度快，工期短

因波形鋼腹板在工廠進行制作，在施工現場拼接組裝，省去混凝土腹板所需模板、管道、混凝土澆筑等復雜工序；同時因梁體的自重減輕，懸臂施工時，施工塊件可略微加長，可減少施工節段，從而提高施工效率，減短施工工期。

如日本的本谷橋在采用混凝土腹板箱梁時，至少需39個節段，但采用波形鋼腹板后，僅31個節段就能滿足要求，數量減少20%，提高了施工效率。橋梁掛籃施工見圖6。

4.5 腹板抗剪能力高，避免出現開裂，提高了耐久性能

橋梁運營階段，預應力混凝土箱梁橋的混凝土腹板受到外力荷載、收縮、徐變以及溫度荷載的多重作用，經常會在腹板出現開裂病害，造成鋼筋銹蝕等病害，影響橋梁結構的耐久性。采用波形鋼腹板后，抗剪能力提高，就有效解決了上述問題，耐久性能得到有效改善。目前對鄄城黃河公路大橋(如圖7所示)和潑河大橋進行的檢測均未發現病害。

4.6 造型美觀

從美學上說，波形鋼腹板箱梁橋具有優良的外觀，與周圍環境更加協調，能獲得較強的立體美感，是山區、景區、城市中最佳的橋型選擇。

5 波形鋼腹板箱梁橋構造的不足之處

1)波形鋼腹板箱梁橋的波形鋼腹板縱向剛度較小，梁體截面的抗扭剛度和抗畸變性能偏弱；

2)波形鋼腹板箱梁橋的連接數量和部位較多，對施工工藝的要求嚴格；

3)波形鋼腹板箱梁橋的屈曲穩定性較差。

6 結論和展望

本文借鑒諸多中外學者在波形鋼腹板箱梁橋方面的研究成果，以諸多工程為背景，對該型結構的結構特點、力學特性以及優缺點等進行了簡述。

波形鋼腹板箱梁橋雖存在部分不足，但其優點更加突出，是一種結構優良的橋型。另外，該型橋梁設計理論與施工方法比較成熟，輕型化、可裝配化等特點符合我國未來橋梁發展的趨勢，將會擁有更廣泛的應用空間。

[1] 李宏江,葉見曙,萬 水,等.波形腹板箱梁的扭轉與畸變分析及試驗研究[J].橋梁建設，2003(6)：1003-1722.

[2] 徐君蘭，顧安邦.波形鋼腹板組合箱梁橋的結構與受力分析[J].重慶交通學院學報，2005(3):1-4.

[3] 陳水生,劉 律,桂水榮.波形鋼腹板PC組合箱梁在我國的研究進展及應用[J].公路工程,2015(3):29-30.

Brief description of research and application of the continuous box girder bridge with corrugated steel webs in China

Ji Xiaowei

(ShanxiChengdaHighwaySurveyDesignCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

Due to the advantages of light weight, good seismic performance and beautiful shape, the continuous box girder bridge with corrugated steel webs has been developed rapidly at home and abroad. In this paper, characteristics of structure, force and construction of the continuous box girder bridge with corrugated steel webs was described briefly and development prospect was discussed to promote the extensive popularization at home.

corrugated steel web, continuous box girder, structural characteristics, mechanical properties

1009-6825(2017)21-0155-03

2017-05-16

姬小偉(1983- )，男，工程師

U448.213

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