平頂山市神馬路湛河橋主橋方案設計

徐 俊，王明曄，李晨翔

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

河南省平頂山市神馬路位于平頂山市高新區控制性詳細規劃中的發展主線上，是平頂山市“十三五”期間城市基礎設施建設中的重點。神馬路跨越湛河的主橋設計橋型為波形鋼腹板預應力混凝土變截面連續箱梁橋（效果圖如圖1所示）。

圖1 橋梁效果圖

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設計速度：50 km/h。

（3）設計荷載：汽車荷載為城-A級；人群荷載為3.0 kN/m2。

（4）設計斷面：3 m(人行道)+5.5 m（非機動車道）+23.0 m(機動車道)+5.5 m（非機動車道）+3 m（人行道）=40.0 m。

（5）設計安全等級：一級。

（6）通航等級：無通航要求。

（7）抗震設防標準：地震基本烈度為6度，地震動峰值加速度值為0.05 g，Tg=0.35 s；抗震設防措施滿足7度區要求。

（8）設計洪水頻率：1/100；100 a一遇洪水位81.2 m。

（9）環境條件類別：Ⅰ類。

（10）主體結構設計基準期：100 a。

3 橋梁設計

3.1 橋型設計

結合景觀造型、河道及道路布置，橋梁采用52 m+85 m+52 m波形鋼腹板預應力混凝土變截面連續箱梁橋，橋梁全長189 m，寬40 m，采用機動車雙向六車道規模，兩側布置非機動車道和人行道。波形鋼腹板PC連續梁外觀流暢，用輕薄的波形鋼腹板代替了較厚重的混凝土腹板，減少了箱梁自重，方便施工，是本工程的推薦橋型。

3.2 主梁設計

3.2.1 構造布置

（1）上部結構采用雙幅單箱三室波形鋼腹板箱梁，混凝土采用C50，鋼材采用Q345qD。

（2）主梁單幅梁寬為20 m，設置單向2%橫坡，主梁底面與頂面平行。梁高和底板厚度均以二次拋物線的形式由跨中向根部變化，跨中梁高2.5 m，底板厚0.25 m，根部梁高5.1 m，底板厚0.8 m。主梁跨中橫斷面及中支點橫斷面如圖2和圖3所示。

（3）中支點附近4.0 m范圍內波形鋼腹板設置內襯混凝土，內襯混凝土厚度邊腹板0.25～0.6 m，中腹板0.5～0.6 m；邊支點附近2.93 m范圍內波形鋼腹板設置內襯混凝土，內襯混凝土厚度邊腹板0.25～0.6 m，中腹板 0.5～0.6 m。

圖2 主梁跨中斷面（單位：mm）

圖3 主梁中支點斷面（單位：mm）

（4）中橫梁厚度為2.2 m，橫梁上部由于體外預應力錨固以及轉向的需求，局部加厚至3.5 m，端橫梁厚度為2.0 m，橫梁端部由于體外預應力錨固的需求，局部設置1 m×0.6 m的槽口，便于運營期間體外預應力進行換索。

（5）為了增加波形鋼腹板箱梁的抗扭剛度，主梁每隔16～17.4 m設置中間橫隔板，橫隔板具體設置間距視體外預應力布置以及懸臂澆筑節段而定，橫隔板厚度為0.5 m，位于體外預應力轉向器處的橫隔板局部加厚至0.8 m。

3.2.2 縱向預應力設計

主梁縱向預應力分為施工階段頂板束、跨中合龍束以及體外預應力鋼束三種預應力鋼束形式。

其中，主梁縱向體外預應力鋼束索體推薦采用ΦS15.2-27散束式單絲涂覆型環氧涂層鋼絞線索體，該鋼絞線索股共采用了環氧涂層、油脂、PE共三層防腐體系，具有耐久性好的優點。

3.2.3 鋼腹板設計

3.2.3.1 波形鋼腹板構造

如圖4所示，波形鋼腹板采用國內最常用的1600型，波形鋼板水平幅寬430 mm，斜幅寬430 mm，斜幅水平方向長370 mm，波高220 mm，彎折半徑為15 t（t為波形鋼腹板厚度）。本橋波形鋼腹板厚度分別采用了12 mm、16 mm和20 mm三種型號。

圖4 波形鋼板波形圖（單位：mm）

3.2.3.2 波形鋼腹板與頂板混凝土的連接

由于頂板是大型車的交通荷載直接作用的部位，波形鋼腹板與混凝土頂板的連接應優先選取翼緣型結合部構造[5]。本工程推薦采用Twin-PBL連接形式（見圖5），鋼翼緣板的設置能夠保持波形鋼腹板的形狀，且可提高連接件位置處頂板混凝土的澆筑質量，保證連接件的抗剪承載能力。翼緣鋼板板厚20 mm，寬450 mm，兼作箱梁頂板加腋處混凝土澆筑時的部分底模。翼緣上的開孔鋼板板厚為18 mm，鋼板上設置直徑60 mm的圓孔，并貫通橫橋向貫穿鋼筋，鋼筋直徑25 mm。

圖5 波形鋼腹板與頂板混凝土連接類型

3.2.3.3 波形鋼腹板與底板混凝土的連接

波形鋼腹板與混凝土底板間的結合形式可分為鋼腹板下端焊接鋼翼緣板并配置連接件的翼緣型、把鋼腹板直接伸入到混凝土板中的嵌入型，以及下端鋼翼緣板與鋼腹板包裹混凝土底板并配置連接件的外包型結合構造[1]（見圖6）。

圖6 波形鋼腹板與底板連接類型

（1）翼緣型連接（見圖6a）。需要在鋼翼緣板底面焊接焊釘或開孔板連接件，鋼翼緣板底下的混凝土逆向澆筑，澆筑密實性難以保證，且連接件處于倒立狀態，抗剪性能降低。另外，混凝土底板重量部分通過連接件傳給鋼翼緣板，連接件存在一定程度的拉拔力作用，使連接件的抗剪承載能力進一步降低。

（2）嵌入型連接（見圖6b）。由于波形腹板縱向剛度低，在縱向易產生變形，導致波形鋼腹板與混凝土底板結合面易出現分離，波形鋼腹板縱橋向貼角焊縫連接處易發生構造裂縫，在施工及后期維護中須采取防水處理等措施。

（3）外包型連接（見圖6c）。混凝土可自上而下澆筑，從而確保澆筑密實性，而且下翼緣板上的連接件處于正立狀態，且易于鋼腹板定位及固定，極大地方便混凝土底板施工。底部結合處無須擔心滲水等耐久性問題。

綜上所述，本工程波形鋼腹板（邊腹板）與底板采用外包的連接方式，主要通過焊接橫向開孔鋼板+焊釘的連接方式，底板焊接寬度為520 mm、厚20 mm的鋼板。橫向開孔鋼板開直徑為50 mm的圓孔，貫穿鋼筋20 mm。焊釘采用22 mm×150 mm。由于底板為變厚，全橋波形鋼腹板（邊腹板）與底板采用的外包連接方式共有三種規格。波形鋼腹板（中腹板）與底板由于沒有滲水問題，采用波形鋼腹板嵌入連接方式，嵌入深度為280 mm。

3.3 主墩設計

主橋主墩采用墻式實體墩，墩身厚度為2.5 m，墩身寬15.1 m，采用C40混凝土，為減小水流阻力，墻身迎水面設置圓弧。

主墩承臺采用矩形承臺16.4 m（長）×7.9 m（寬），厚2.5 m；樁基采用8根Φ180 cm鉆孔灌注樁，主墩樁長65 m，均選擇第九層作為樁端持力層，按摩擦樁設計。

4 推薦施工方法

綜合考慮跨徑、水位、墩高等因素，本橋推薦采用懸臂澆筑施工，主墩墩頂臨時固接，邊跨直線段搭設臨時支架現澆。

水中主墩基礎采用圍堰施工，主梁根據施工順序共分為39個節段，其中0#節段長度為14.6 m，采用支架現澆的方法。

由于主橋采用波形鋼腹板的結構形式，且波形鋼腹板采用國內常用的1600型波形鋼板。為了與波形鋼板級數相匹配，方便現場施工，因此對于懸臂施工的節段其節段長度均為1.6 m的倍數。1#～3#節段為后支點掛籃懸臂澆筑節段，節段長度為3.2 m；4#～8#節段同樣為后支點掛籃懸臂澆筑節段，節段長度為4.8 m；11#為邊跨現澆段，節段長度為7.86 m；9#節段為中跨合龍段，10#節段為邊跨合龍段，合龍段長度均為3.2 m。

5 結構計算分析

5.1 整體計算

主橋總體結構靜力計算采用Midas/Civil空間桿系有限元方法進行計算，采用空間單梁模型進行縱向總體結構計算。主梁采用空間梁單元。有限元計算模型如圖7所示。

圖7 主橋有限元模型

主梁極限承載能力驗算顯示主梁荷載基本組合值均小于其極限抗拉力；持久狀況正常使用極限狀態驗算顯示主梁在荷載短期組合、長期組合下主梁均未出現拉應力；持久狀況應力驗算顯示主梁在標準組合下，上緣正截面最大壓應力為14.98 MPa，下緣正截面最大壓應力為11.85 MPa，均滿足規范要求（見圖8和圖9）。

圖8 標準組合下主梁上緣正應力（單位：MPa）

圖9 標準組合下主梁下緣正應力（單位：MPa）

5.2 波形鋼腹板計算

本工程按照《公路波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋設計規范》（DB41/T 643—2010）對波形鋼腹板進行計算。

5.2.1 鋼腹板剪應力驗算

5.2.1.1 豎向彎曲剪應力

標準組合下，波形鋼腹板彎曲剪應力如圖10所示。

圖10 標準組合下鋼腹板彎曲剪應力（單位：MPa）

從圖10可以看出，除中支點設置里襯混凝土的區域，主梁豎向彎曲剪應力均處于120 MPa以下。

5.2.1.2 扭轉剪應力

標準組合下，波形鋼腹板自由扭轉剪應力如圖11所示。

圖11 標準組合下鋼腹板自由扭轉剪應力（單位：MPa）

從圖11可以看出，主梁在扭矩作用下主梁扭轉剪應力均較小，不大于10 MPa。

5.2.1.3 組合剪應力驗算

將主梁豎向彎曲剪應力與扭轉剪應力進行組合，組合后的剪應力如圖12所示。

從圖12可以看出，除中支點設置里襯混凝土的區域，主梁組合剪應力均處于120 MPa以下，其中中支點應力最大處為154 MPa，處于設置里襯混凝土的區域，本次計算僅考慮全部由鋼腹板承擔剪力，鋼板剪應力小于120 MPa，滿足容許應力要求。

5.2.2 鋼腹板屈曲穩定驗算

5.2.2.1 局部屈曲驗算

波形鋼腹板局部屈曲驗算見表1。

表1 鋼腹板局部穩定驗算

從表1可以看出，局部穩定滿足要求。

5.2.2.2 波幅寬度驗算

為防止波形鋼腹板的局部屈曲強度破壞先于剪切強度破壞，波形鋼腹板的波幅寬度應符合要求。

表2 鋼腹板波幅寬度驗算

從表2可以看出，鋼腹板波幅寬度可以保證強度破壞先于局部穩定破壞。

5.2.2.3 整體屈曲驗算

波形鋼腹板整體屈曲驗算見表3。

表3 鋼腹板整體穩定驗算

從表3可以看出，整體穩定滿足要求。

5.2.2.4 波高驗算

為防止波形鋼腹板發生整體屈曲強度破壞先于剪切強度破壞，波形鋼腹板的波高應符合要求。

從表4可以看出，鋼腹板波高可以保證強度破壞先于整體穩定破壞。

5.2.2.5 合成屈曲驗算

波形鋼腹板合成屈曲驗算見表5。

從表5可以看出，合成屈曲滿足要求。

6 工程主要特色

波形鋼腹板PC連續梁是21世紀引入我國的，是一種較為新穎的橋梁形式，在結構受力、構造上具有其特殊性。

表4 鋼腹板波高驗算

表5 鋼腹板合成屈曲驗算

（1）相對傳統的預應力混凝土連續梁來說，波形鋼腹板PC連續梁用輕薄的波形鋼腹板代替了較厚重的混凝土腹板，減少了箱梁自重，進而可減少下部結構工程量。

（2）由于波形鋼腹板PC連續梁自重較輕，恒載彎矩較小，鋼腹板不存在開裂問題，從根本上避免了混凝土連續梁腹板開裂、跨中撓度持續增大的病害風險。

（3）本工程設計根據不同位置情況，分別采用了Twin-PBL、嵌入型、外包型等連接形式，混凝土可自上而下澆筑，從而確保澆筑密實性。

（4）外包型下翼緣板上的連接件處于正立狀態，易于鋼腹板定位及固定，極大地方便混凝土底板施工，并且外包型底部結合處無須擔心滲水等問題，耐久性更好。

7 結語

波形鋼腹板PC連續梁作為一種新型的鋼-混凝土組合結構，充分利用了混凝土抗壓、波形鋼腹板抗剪、屈服強度高的優點，有效地將鋼、混凝土兩種材料結合起來，揚長避短，提高了材料的使用效率，是一種經濟、合理、高效的結構形式。

隨著我國對波形鋼腹板PC連續梁結構研究的不斷深入和應用技術的成熟，在我國橋梁工程中的應用也越來越廣泛。

本文以平頂山市神馬路湛河橋為背景，介紹了該橋的工程概況、初設階段的結構設計、施工方案，通過結構計算分析表明該設計方案主要構件的各項性能均滿足規范要求，采用的波形鋼腹板與底板混凝土的外包型連接施工方便、耐久性好，可為波形鋼腹板PC連續梁設計提供參考。

[1]劉玉擎，陳艾榮.組合折腹橋梁設計模式指南[M].北京：人民交通出版社，2015.

[2]上海市政交通設計研究院有限公司.平頂山市神馬路湛河橋工程初步設計[R].上海，2017.

[3]同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司.通江大道北延線（含裕溪河大橋）工程初步設計[R].上海，2014.

[4]上海市政工程設計研究院總院（集團）有限公司.杭州市德勝路（滬杭高速—文匯路）提升改造工程施工圖設計[R].上海，2012.

[5]陳宜言.波形鋼腹板預應力混凝土橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社,2009.

[6]DB41/T 643—2010，公路波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋設計規范[S].