波形鋼腹板組合梁橋的特性及應(yīng)用

武林

摘 要：相對于傳統(tǒng)混凝土類腹板，形鋼腹板是一種新材料，能夠很好地替代傳統(tǒng)混凝土腹板。波形鋼腹板與混凝土頂及底板而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)形式的橋梁稱為波形鋼腹板組合式橋梁。本文闡述了此橋梁的預(yù)應(yīng)力力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗剪性、抗震性等功能特點(diǎn)，對其應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，以期為其更好的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：波型剛腹板；組合橋梁；應(yīng)用；特性

中圖分類號：U448.216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0069-01

波型剛腹板組合橋梁以混凝土腹板的替代型腹板重新組合成的橋梁。該橋梁同傳統(tǒng)的混凝土腹板橋梁的結(jié)構(gòu)相比，取消了工字梁腹板的混凝土材料，代之的是鋼腹板，鋼腹板較混凝土材料更加輕巧，能夠有效降低橋梁的重量[1]。同時，波形鋼腹板的形狀呈縱向剛度的較低波紋形，克服了傳統(tǒng)混凝土鋼腹板中縱向橋變的限制所導(dǎo)致的截面預(yù)應(yīng)力下降的問題。本文從波形鋼腹板橋梁預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震及抗剪性等方面來分析其特性，以探討其在我國交通橋梁設(shè)計(jì)建設(shè)中的應(yīng)用。

1 波形鋼腹板組合橋梁的特征

1.1 材料性能的充分發(fā)揮

波形鋼腹板的橋梁是利用其頂、鋼腹板及底等混凝土翼緣板構(gòu)成，且在箱梁的頂?shù)装逯惺┘悠漕A(yù)應(yīng)力[2]。波形鋼腹板因其自身特征的抗剪性能高即軸向剛度低等特征，其比較適應(yīng)于截面剪力的成端，但其底及頂混凝土的抗剪性能不高及軸向強(qiáng)度強(qiáng)等特征，使其比較適用于截面軸向壓力的承受。因此，其性能構(gòu)建中的功能各異，其能夠共同工作和各自發(fā)揮性能，并能在最大程度上提升鋼材料及混凝土的效率。通過分析其結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)橋梁的內(nèi)力分布較為均勻，分布特點(diǎn)同平截面假定的應(yīng)力三角形分布不同，這表示鋼腹板的梁材料具有較高的利用率。例如波形干板為1600型時可選擇40-150米的跨徑機(jī)芯組合，其板厚應(yīng)為8-40毫米，波形鋼腹板橋梁常用1000型、1200型、1600型等。此外，對于一個截面來說，其效率的衡量指標(biāo)主要是其慣性半徑的多少。因波形鋼腹板-混凝土式橋梁的混凝土材料集中在截面上下緣，且能夠自由增加截面慣性的半徑，直至其極限值。因而，波形鋼腹板能夠明顯提高截面和結(jié)構(gòu)的效率。波形鋼腹板橋梁的的尺寸應(yīng)按照橋梁跨徑的不同類型來選擇。

1.2 箱梁自重的減輕

波形鋼腹板的應(yīng)用能夠降低箱梁結(jié)構(gòu)的恒載自重，進(jìn)而對建設(shè)費(fèi)用及材料使用量進(jìn)行優(yōu)化，可以有效降低項(xiàng)目造價(jià)。同時，主梁自重結(jié)構(gòu)減輕后可以使地震響應(yīng)顯著降低，進(jìn)而提高其抗震性能；能夠設(shè)置體外、體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束來組合使用，其主梁體外預(yù)應(yīng)力利用結(jié)構(gòu)限位塊來轉(zhuǎn)向和定位，并增減、替換后期體外的預(yù)應(yīng)力束。

波形鋼腹板的縱橋向方向波形呈褶皺狀，其縱向拉壓作用下的剛度不高，難以分擔(dān)截面軸力，因此在施加縱向預(yù)應(yīng)力的過程中，能夠使混凝土底板產(chǎn)生自由變形，而鋼腹板對其無法約束，使所有預(yù)應(yīng)力都在混凝土頂?shù)装迳习l(fā)揮作用，進(jìn)而使預(yù)應(yīng)力加載的整體效率得到提高，使結(jié)構(gòu)力學(xué)性能得到簡化。

1.3 鋼腹板抗剪功能的提升

大型和中型混凝土橋是我國公路橋梁中常見的類型，且存在梁體剛度不高和混凝土腹板發(fā)生開裂及跨中撓度增大等問題[3]。在運(yùn)營時期，普通腹板在荷載、收縮及溫差下能夠出現(xiàn)開裂，無法滿足使用結(jié)構(gòu)的要求，應(yīng)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。此外，開裂問題還能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋發(fā)生銹蝕和耐久性退化。猶豫波形鋼腹板具有較強(qiáng)的抗剪功能，因此，其可以從根本上對上述問題進(jìn)行解決，以確保橋梁運(yùn)行期間的結(jié)構(gòu)的正常性和可靠性，且具有較強(qiáng)的針對性。

1.4 推動橋梁動力的提升

按照實(shí)橋動力性能、模型試驗(yàn)及力學(xué)性能等分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力波形鋼腹板-混凝土式橋梁常在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土間振動。通常預(yù)應(yīng)力混凝土橋外束衰減系數(shù)為0.0002，自振頻率是13-17Hz，通常難以因體外束而導(dǎo)致橋梁共振的發(fā)生。以波形鋼腹板的弱剛度連接頂?shù)装澹虼薖C橋（波形鋼腹板）形成的局部振型同傳統(tǒng)箱梁橋振型相異。有資料顯示，因上下混凝土板為整體構(gòu)成且剛度較大，所以頂板間自振頻譜在動力作用下的差異不明顯。

2 波形鋼腹板的應(yīng)用范圍及施工特征

2.1 波形鋼腹板的應(yīng)用范圍

如今我國設(shè)計(jì)、在建及已建的波形鋼腹板-混凝組合式橋梁已達(dá)七十多座，涉及到全國多個省、市，橋梁結(jié)構(gòu)樣式呈現(xiàn)多樣化，如簡支梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、連續(xù)橋梁及斜拉橋等。箱梁橫斷面可以選用不同的箱室組合形式，并能提高波形鋼腹板跨徑，最大能夠達(dá)到200米[4]。可見，波形鋼腹板在我國已經(jīng)取得一定的應(yīng)用，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

2.2 波形鋼腹板的施工特征

波形鋼腹板-混凝土橋梁和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在施工方法上非常相似，都可以應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的施工方法來施工。波形鋼腹板施工過程中不需現(xiàn)場澆筑，因此也不行混凝土澆筑、綁扎鋼筋和支模等工作量，加上橋梁自身重量的減輕，階段性施工時能夠增加節(jié)段長度。波形鋼腹板可以實(shí)施工廠化的生產(chǎn)，且具有穩(wěn)定可靠的構(gòu)件質(zhì)量，無需進(jìn)行二次現(xiàn)場加工，僅需要對其進(jìn)行定位安裝，進(jìn)而能夠有效地提高施工速度和減少施工時間。利用懸臂澆筑來建筑橋梁，波形鋼腹板橋梁的施工效率能夠顯著提高。同時，波形鋼腹板-混凝土式橋梁的施工手段較多，常用的有懸臂現(xiàn)澆法、預(yù)制裝配式、滿堂支架、頂推法和少支架等施工方法。具體如下：

首先是懸臂法。依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)波形鋼腹板-混凝土橋梁施工能夠較傳統(tǒng)的混凝土橋梁的效率提高30%。其自重也能減輕四分之一，施工節(jié)段的長度能夠有效增長，尤其是懸臂施工向量，其根部至四分之一跨徑附近，其施工節(jié)段的場地能夠?yàn)?到3.5米，而波形鋼腹板橋梁直接應(yīng)用波形模型即可，且其節(jié)段懸臂長度可將近5米。可見，波形鋼腹板橋梁利用懸臂法能夠有效地縮短工期和加快施工速度。其次，少支架施工方法。該方法僅需少量的過度支撐，能夠有效地確保橋梁下道路通行正常，促進(jìn)模板的現(xiàn)場施工和減輕其支架重量，推動裝置規(guī)模的降低，尤其是高架橋、市政立交橋和山區(qū)橋梁等常會選擇此類方法。再次是預(yù)制裝配法。由于波形鋼腹板橋梁自身特點(diǎn)，其在利用預(yù)制裝配方法施工時會具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。先制作波形鋼腹板-混凝土橋梁的頂?shù)装鍢?gòu)成的工字單元，而后再利用橫向混凝土將其進(jìn)行濕接縫澆筑來連接，使其形成較為完整的主體橋梁。同時，預(yù)制裝配法能夠采用同混凝土橋梁相似的施工方法和結(jié)構(gòu)形式，波形鋼腹板的應(yīng)用能夠很好地替代傳統(tǒng)混凝土腹板，且抗裂性能良好，具有較好的橋梁外觀，該施工裝配方法具有較強(qiáng)的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

總之，波形鋼腹板橋梁具有縮短工期和抗震、節(jié)省結(jié)構(gòu)材料等方面具有一定的優(yōu)勢，其施工效率、結(jié)構(gòu)工程量、施工措施費(fèi)用等方面都較傳統(tǒng)的混凝土橋梁顯著提高，優(yōu)勢較為明顯。波形鋼腹板對混凝土腹板的替代，不但能夠節(jié)省腹板的費(fèi)用，還能有效降低橋梁造價(jià)及自重。同時，波形鋼腹板橋梁對節(jié)能減排具有一定的價(jià)值。采用鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系中，波形鋼腹板橋梁同混凝土橋梁相比其節(jié)能減排效果顯著。波形鋼腹板承擔(dān)的截面剪力可以推動其充分發(fā)揮材料性能，其頂?shù)装逋忸A(yù)應(yīng)力還能夠顯著提高其預(yù)應(yīng)力的整體功效。

參考文獻(xiàn)

[1]冀偉，鄧露，何維，劉世忠，藺鵬臻.波形鋼腹板PC簡支箱梁橋局部與整體動力沖擊系數(shù)的計(jì)算分析[J].振動與沖擊，2017，36（08）：22-28.

[2]張鴻，鄭和暉，陳鳴.波形鋼腹板組合箱梁橋節(jié)段預(yù)制拼裝工藝試驗(yàn)[J].橋梁建設(shè)，2017，47（01）：82-87.

[3]李杰，武海鵬，陳淮.變截面波形鋼腹板組合箱梁腹板剪應(yīng)力實(shí)用計(jì)算方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，14（01）：80-86.

[4]李杰，武海鵬，陳淮.波形鋼腹板變截面連續(xù)體系梁橋鋼腹板承剪分析[J].橋梁建設(shè)，2015，45（01）：79-84.