波形鋼腹板組合箱梁橋的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)分析

王 彩 花

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

0 引言

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)已建成的公路及城市橋梁中，由于設(shè)計(jì)理念及結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的階段性，絕大多數(shù)的中小型橋梁采用了預(yù)應(yīng)力混凝土橋；然而由于先天缺陷、后天病害及汽車超載等最不利外力組合等綜合因素的影響，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋普遍存在著混凝土腹板開裂、梁體混凝土開裂、跨中撓度增大等病害，不同程度地給橋梁的安全運(yùn)營(yíng)與耐久性方面帶來(lái)了隱患。隨著國(guó)內(nèi)新建中大型橋梁的浪潮，新型橋梁結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)理念和技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

波形鋼腹板組合箱梁橋是一種將較厚的混凝土腹板由薄波形鋼腹板替代的新型鋼—混組合結(jié)構(gòu)橋梁形式，具有自重輕、便于裝配施工、造價(jià)低、耐久性好和全壽命經(jīng)濟(jì)效益高、低碳節(jié)能等眾多優(yōu)點(diǎn)，是一種符合可持續(xù)發(fā)展理念的新型橋梁結(jié)構(gòu)形式。該設(shè)計(jì)思想最先由法國(guó)學(xué)者于1975年提出，并于1986年建成首座該類橋梁。我國(guó)從2005年建成了國(guó)內(nèi)的第一座波形鋼腹板組合梁橋之后，也開始了對(duì)此類橋梁的研究，逐漸引起了廣大橋梁工程師的重視，進(jìn)而在國(guó)內(nèi)逐步展開推廣和應(yīng)用。本文主要是結(jié)合波形鋼腹板箱梁橋的特點(diǎn)對(duì)南沙河主橋采用該新橋型進(jìn)行設(shè)計(jì)，總結(jié)心得體會(huì)，便于提升今后設(shè)計(jì)同類橋型結(jié)構(gòu)的水平。

1 波形鋼腹板組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)組成及優(yōu)缺點(diǎn)[1,2]

1.1 波形鋼腹板組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)組成

波形鋼腹板組合箱梁橋主要是由混凝土頂?shù)装濉⒉ㄐ武摳拱濉⒉煌课坏倪B接件和預(yù)應(yīng)力束四大部分組成。

基于波形鋼腹板內(nèi)沒有空間布置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力彎起鋼束，所以用體外鋼束來(lái)代替部分或全部體內(nèi)鋼束，通過(guò)轉(zhuǎn)向塊實(shí)現(xiàn)彎起。

波形鋼腹板主要是由直板段、斜板段以及圓弧段組成。波形鋼腹板的設(shè)計(jì)不僅要滿足力學(xué)方面的要求，還需兼顧制作、施工、美觀及經(jīng)濟(jì)等方面的因素。

波形鋼腹板組合箱梁橋的連接部位主要體現(xiàn)在如下節(jié)點(diǎn)：切割成塊的波形鋼腹板節(jié)段之間的接頭，就施工而言，需要從工廠預(yù)制然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)通過(guò)連接進(jìn)行拼裝；保證結(jié)構(gòu)整體受力共同工作的鋼腹板與混凝土板間的連接主要用于克服兩者間的縱向剪力，防止兩者之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，是此類橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；波形鋼腹板與橫隔梁板和內(nèi)襯混凝土之間的接合部主要是用來(lái)傳遞豎向剪力，確保波形鋼腹板所受到的剪力可以有效傳遞到下部結(jié)構(gòu)。

1.2 波形鋼腹板組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

1)當(dāng)由薄鋼腹板取代了相對(duì)較厚的混凝土腹板之后，結(jié)構(gòu)自重大為減輕，地震激勵(lì)作用效果顯著降低，抗震性能較好；同時(shí)減少了混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼材、鋼筋用量，使下部結(jié)構(gòu)的工程量減少，從而降低工程造價(jià)，改善了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2)由于該結(jié)構(gòu)的混凝土集中在箱梁頂、底板，回轉(zhuǎn)半徑增加，斷面結(jié)構(gòu)效率得到提高；另外鑒于波形鋼腹板的褶皺效應(yīng)，縱向剛度較小，體內(nèi)束集中布置在箱梁頂?shù)装鍍?nèi)，進(jìn)而提高了預(yù)應(yīng)力效率。

3)當(dāng)傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁受混凝土收縮、徐變、運(yùn)營(yíng)環(huán)境及最不利外力組合等綜合因素影響后，混凝土腹板會(huì)出現(xiàn)裂縫，引發(fā)鋼筋腐蝕等病害，從而影響結(jié)構(gòu)耐久性，嚴(yán)重會(huì)降低結(jié)構(gòu)的安全性；而波形鋼腹板組合箱梁橋則會(huì)避免上述問(wèn)題出現(xiàn)。

4)在波形鋼腹板組合箱梁橋設(shè)計(jì)中，主要分別考慮混凝土的抗彎剛度和波形鋼腹板的抗剪剛度，且鋼腹板內(nèi)的剪應(yīng)力近似于均布分布，有利于不同材料發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

5)體外束的應(yīng)用為波形鋼腹板組合箱梁橋的另一特點(diǎn)，這樣即便體外束在后期運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)磨損或斷裂時(shí)，也可以在不間斷交通的情況下及時(shí)進(jìn)行更換，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。

6)在施工過(guò)程中，波形鋼腹板一般采用工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工，不僅減少模板支架量和混凝土的澆筑量，另外波形鋼腹板同時(shí)能作為施工掛籃、導(dǎo)梁等承重構(gòu)件，從而簡(jiǎn)化施工設(shè)施，加快了施工進(jìn)程。

7)從立面觀看，波形鋼腹板的褶皺給人一種簡(jiǎn)潔直觀的立體感，提升了橋梁的美感。

8)由于該新型結(jié)構(gòu)截面的抗扭剛度和抗畸變剛度降低；使得波形鋼腹板的屈曲破壞相比更傾向于脆性化。

9)由于波形鋼腹板的制作工藝不成熟，導(dǎo)致其制作成本較高，經(jīng)濟(jì)性能有待提高。

10)波形鋼腹板有較多的拐角，容易滯留泥沙等雜質(zhì)，易受腐蝕；因此防腐也成為后期維修養(yǎng)護(hù)的管理成本問(wèn)題。

2 工程實(shí)例設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

凱旋路工程設(shè)計(jì)南起塢城東街，北至凱旋街，全長(zhǎng)約8.66 km。南沙河主線橋橋梁全長(zhǎng)458 m。主線橋平面位于圓緩和組合曲線上，最小圓曲線半徑為350 m，主線橋墩高度為6 m～20 m之間，綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能、低碳建筑概念、經(jīng)濟(jì)型與景觀性和施工過(guò)程；最終選定上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板組合箱梁，共三聯(lián)，跨徑組合為(35+40+40+35)+(40+40+40+35.5)+(32.5+40+40+40)m。其中以第一聯(lián)結(jié)構(gòu)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.2 波形鋼腹板組合箱梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

如圖1所示箱梁采用單箱三室斜腹板斷面，梁高2.5 m，頂?shù)装搴?.25 m～0.45 m，懸挑長(zhǎng)度為1.5 m，端部厚0.2 m，根部厚0.5 m，采用C55 混凝土；波形鋼腹板采用1600型，厚度為18 mm，16 mm，14 mm，12 mm 4種型號(hào)的Q345D鋼材。

箱梁頂板采用T-PBL方式與波形鋼板連接，箱梁底板采用S-PBL+焊釘方式與波形鋼板連接；波形鋼腹板節(jié)段間縱向連接采用M22的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行定位，后進(jìn)行貼角焊接。

每跨橋梁均設(shè)置三道橫隔板(不計(jì)端、中橫梁)，橫隔板厚0.35 m，間距約為10 m，波形鋼腹板與橫隔板通過(guò)栓釘連接；與端、中橫梁采用埋入式連接方式。

由于跨徑不太大，通過(guò)建模分析僅在主梁的頂?shù)装鍍?nèi)布置體內(nèi)束可以滿足計(jì)算要求，因此該橋沒有布置預(yù)應(yīng)力體外束。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[4,5]

計(jì)算時(shí)采用MIDAS Civil軟件對(duì)橋梁建立模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。在進(jìn)行縱向抗彎計(jì)算時(shí)主梁截面的EA 和EI 只考慮混凝土頂、底板的作用，忽略波紋鋼腹板對(duì)EA 和EI的貢獻(xiàn)。在進(jìn)行鋼腹板計(jì)算時(shí)截面只考慮波紋鋼腹板的抗剪作用，忽略混凝土頂、底板的作用。

持久狀況承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算：第一聯(lián)第二跨(40 m)跨中和交接墩支點(diǎn)處的承載力設(shè)計(jì)彎矩最大值分別為106 925.4 kN·m和-109 871.2 kN·m；而與之對(duì)應(yīng)的最不利組合彎矩最大值分別為99 951.54 kN·m和-68 755.1 kN·m。

正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算：按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)設(shè)計(jì)，持久狀況在作用效應(yīng)頻遇組合下，箱梁各跨跨中底板和支點(diǎn)頂板均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力；持久狀況在作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值組合下，壓區(qū)混凝土的最大法向壓應(yīng)力為15.99 MPa，規(guī)范容許值為17.75 MPa；拉區(qū)預(yù)應(yīng)力筋的最大拉應(yīng)力為1 176.9 MPa，規(guī)范容許值為1 209 MPa。施工階段主梁正截面最大壓應(yīng)力為11.4 MPa，規(guī)范容許值為24.85 MPa；最大拉應(yīng)力為0.01 MPa，規(guī)范容許值為1.918 MPa。波形鋼腹板最大剪應(yīng)力約為85 MPa，規(guī)范容許值最小為113 MPa。結(jié)構(gòu)受力均滿足要求。

同時(shí)由計(jì)算結(jié)果可知整體屈服臨界應(yīng)力出現(xiàn)于主梁根部鋼腹板最高部位，大于整體屈曲臨界應(yīng)力和強(qiáng)度屈服強(qiáng)度，因此可以認(rèn)為波形鋼腹板在進(jìn)入強(qiáng)度之前不會(huì)發(fā)生整體屈曲，結(jié)構(gòu)受力是安全的。

此外考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，使用階段邊跨和中跨跨中的長(zhǎng)期撓度值分別為8.5 mm和15.2 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的容許值58.3 mm和66.7 mm，滿足規(guī)范要求。

4 優(yōu)化和改善建議

通過(guò)對(duì)南沙河主橋的實(shí)例設(shè)計(jì)分析與研究，對(duì)此類新型結(jié)構(gòu)的未來(lái)應(yīng)用中提出如下的建議：

1)確定波形鋼腹板組合箱梁的橫斷面形狀，應(yīng)綜合考慮抗彎、抗扭、抗畸變剛度的影響，并兼顧橋面寬度、連接構(gòu)造、橋面板受力及下部與基礎(chǔ)構(gòu)造及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和施工方案等因素的影響。

2)應(yīng)充分利用此類新型結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)自重較輕、抗震性能較好的優(yōu)勢(shì)，采用常規(guī)抗震性支座，通過(guò)優(yōu)化橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其經(jīng)濟(jì)性。

3)從上述計(jì)算結(jié)果看，主梁應(yīng)力安全系數(shù)偏保守，預(yù)應(yīng)力配置還有優(yōu)化空間，同時(shí)應(yīng)該增設(shè)預(yù)應(yīng)力體外束，減少體內(nèi)束的布置，更加優(yōu)化主梁的設(shè)計(jì)。

4)從上述計(jì)算結(jié)果看，波形鋼腹板抗剪承載力驗(yàn)算及鋼腹板與混凝土頂、底板的連接驗(yàn)算安全系數(shù)稍大，可以通過(guò)優(yōu)化主梁截面和鋼板厚度及連接剪力鍵類型或構(gòu)造形式，來(lái)改善經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

5)南沙河主線橋位于組合曲線上，為保證較大的抗扭、抗畸變剛度和體外束、轉(zhuǎn)向塊的需要，應(yīng)該對(duì)端、中橫梁，橫隔板構(gòu)造和間距，進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)語(yǔ)

波形鋼腹板組合箱梁橋作為一種新型的組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)充分發(fā)揮不同建筑材料的優(yōu)勢(shì)，克服傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋不可避免的缺點(diǎn)，逐漸地吸引了不斷創(chuàng)新的橋梁工程師。南沙河主線橋是對(duì)此類新型結(jié)構(gòu)的又一次應(yīng)用，通過(guò)對(duì)該工程實(shí)例的初擬、分析研究、反復(fù)修改到完善設(shè)計(jì)成果，使得對(duì)波形鋼腹板組合箱梁橋結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)又提升了一個(gè)新的臺(tái)階，可為將來(lái)類似工程的應(yīng)用提供借鑒和參考。

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