波形鋼腹板PC箱梁結構的發展與應用

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400067)

一、引言

波形鋼腹板PC組合結構在短短幾十年時間里飛速發展，這跟其優良的特性離不開關系。它的主要構件大致包括上下混凝土翼緣板、波形鋼腹板以及體外預應力束。波形鋼板外觀呈波浪形，由于材質為鋼材，相較于混凝土有更高的抗剪能力。而腹板主要功能就是承擔剪力，所以鋼腹板恰好順應而生。此外，當混凝土腹板被替代后，可以減少大量的澆筑模板，且腹板不在預留孔道布置預應力束，大大降低了施工難度，同時也加快了工期，節省了成本。同時，在橋梁的縱向上，預應力由于不會被鋼腹板的剛度影響，可以更好的發揮其作用

二、發展概況

早在1986年，法國人就已經建立了世界上第一座波形鋼腹板PC箱梁橋，隨后又相繼建立了幾座該結構類型的橋，可以說是邁出了重要的一步，為世界發現了一種結構優良的主橋形式。

隨后，日本意識到該類橋型的優秀特性，從法國引進了該橋型技術，對其做了全面的研究，于是日本第一座波形鋼腹板PC箱梁橋很快得以建成。隨后不久，日本相繼建設了大量的該類型的橋。在這些橋中，其中包括連續梁橋、連續剛構橋、拱橋以及斜拉橋等多種橋型。這樣一來，日本不僅開發了該橋型的適用范圍，還使其設計與施工技術得以成熟，取得不錯的成績。

在我國，20世紀初末到21世紀初，許多科研單位波形鋼腹板PC組合結構進行了研究，取得了一些列的成果，帶動著該橋型在我國的應用。例如，2005年1月我國建成了長征橋，它是一座波形鋼腹板PC連續梁人行橋；2005年7月又建成了潑河橋，結構形式為組合箱梁公路橋；隨后的2007年5月銀座人行橋建成，結構形式與潑河橋相似；2015年12月建成的山東鄄城黃河公路大橋，具有許多技術創新，也為我國的波形鋼腹板橋梁做出表率。

三、基本構造

(一)波形鋼腹板PC箱梁的構造。此類結構的本質便是用波形鋼腹板替換掉混凝土腹板，然后再通過抗剪連接方式進行連接。由于混凝土腹板被取締，相應的體內預應力鋼束也同樣沒有埋置的空間，取而代之換用體外預應力束。

(二)波形鋼腹板的形狀。波形鋼主要擁有三個節段，即直板段、圓弧段和，三個階段便組成了一節波形鋼腹板，再通過適當的連接即可。波形鋼腹板的外觀要滿足許多要求，其中包括合格的抗剪切能力，同時還要照顧到施工、經濟性等等相關情況。波形鋼腹板根據情況的不同，通常有多種制作工藝，采用較多的為冷彎加工。

(三)波形鋼腹板箱梁的連接。對于波形鋼腹板的連接，很顯然主要存在以下幾個部位的連接。首先是波形鋼腹板自身之間，然后是腹板與頂底板之間，再者便是與腹板相連接的橫隔板，最后便是在箱梁內的混凝土內襯。

由于受限于施工制造技術，波形鋼腹板往往不能做得和節段主梁一樣長，需要在縱橋方向進行切割，再在施工現場進行拼接。如今從鋼結構中我們可以了解到，波形鋼腹板之間的連接現在主要有兩種形式：高強螺栓連接以及焊接。

波形鋼腹板與頂底板的連接，是兩者共同工作的基礎，它需要抵抗兩者接觸面上的縱向剪力，防止產生縱向滑移，而且還保證頂板不被掀起，它的可靠性直接關系到整橋的承載能力。現目前，國內外主要有四種連接方式，即栓釘連接、型鋼連接、組合連接和嵌入連接，其中使用最多的是型鋼連接。同時，還需要保證腹板與橫隔梁之間的連接，因為腹板中的剪力需要通過橫隔梁才能傳至橋墩。

四、構造特點

(一)與預應力混凝土箱型梁橋相比的優點

1、自重變低，抗震性能好。出于波形鋼腹板的輕質，主梁的自重大大減小，抵抗地震的性能也有一定提高。

2、混凝土腹板被替換后，建筑材料用量減少。同時，主梁其自重也會大大降低，使工程費用得到有效控制。

3、波形鋼腹板在順橋向的剛度小到可以在實際工程中忽略，而我們需要在順橋向翼緣板布置預應力鋼束來增強結構承載能力。所以，波形鋼腹板并不會對順橋向的預應力產生抵抗作用，結構的合理性顯而易見。

4、材料各盡所能。在波形鋼腹板PC箱型梁中，上下混凝土板抗彎，波形鋼腹板抗剪，各司其職。

5、混凝土腹板被替換以后，減少了大量的腹板模板，免去了腹板內預留孔道等復雜操作。波形鋼腹板可以工廠預制，再進行現場拼接，大大提高了施工進度。

6、更換體外預應力鋼筋無需再考慮混凝土腹板，操作更加便捷，非常有利于橋梁的維修和加固。

7、一般的混凝土腹板在外荷載以及自身收縮徐變等影響下，會發生腹板開裂的現象。但波形鋼腹板替本身就擁有較強的抗拉性能，不會出現開裂。

8、造型優美。波形鋼腹板箱梁在成橋以后擁有優美的外型，非常適合城市以及旅游區域。

(二)波形鋼腹板的缺點

1、波形鋼腹板制作成本較高，但是隨著技術進步，生產工藝突飛猛進，這一問題正在慢慢解決。

2、混凝土腹板因其截面面積大，其抗扭轉的能力突出，整體穩定性較好。波形鋼腹板做不到那么大的橫截面積，抗畸變效果并不如混凝土腹板好。

3、波形鋼腹板的屈服破壞會比較突然，且在屈服的后階段，承載能力會下降到與平面鋼腹板差不多。

4、波形鋼腹板由于有較多的曲折，容易滯留雜志，導致腐蝕增加，使用的耐久性有所降低。

雖然波形鋼腹板有一些不足之處，但不管與傳統的PC箱梁還是平面鋼腹板箱梁相比，都具有較為明顯的優點，是非常值得推廣的一種橋型。

五、結論

波形鋼腹板PC箱型梁橋也已經有幾十年的歷史，世界上大大小小此類型的橋也已經超過幾百座其中日、法兩國尤為突出。從其表現來看，無論是結構形式、預應力體系，還是施工技術都有許多獨特之處。

同時，山丘地形占據了我國40%國土面積，而修建山區橋梁是今后一大重要方向。山區橋梁特點就在于跨境大，減輕橋梁自重的任務首當其沖。波形鋼腹板PC箱型橋優秀的受力特性，簡單、便捷的施工技術，非常適用于山區地形。

得益于該類結構優異的特性，今后無論是梁橋，還是斜拉橋、懸索橋，波形鋼腹板PC組合結構都將擁有非常廣闊的應用前景。