基于波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力特性研究

解 冰，羅 旭，曲 研，楊志星

（1.廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000；2.暨南大學(xué)，廣東 廣州 510000）

1 傳統(tǒng)箱梁存在的問題

隨著我國交通行業(yè)的日益發(fā)展，PC連續(xù)剛構(gòu)橋以其造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工工藝成熟以及優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為等優(yōu)勢(shì)，在工程實(shí)踐中應(yīng)用非常廣泛。但近年來，隨著該類橋在國內(nèi)的建設(shè)越來越多，在運(yùn)營中逐漸暴露出兩種典型的問題：一是主梁的跨中撓度持續(xù)加大，二是腹板容易開裂[1]。

根據(jù)箱型截面的構(gòu)造可知，箱梁的頂板和底板由于受到自身力學(xué)特性及施工工藝特點(diǎn)的影響，無法通過降低其尺寸以減小結(jié)構(gòu)自重。箱梁的腹板則沒有這樣的限制，因此可嘗試通過減小腹板厚度降低結(jié)構(gòu)自重。降低腹板自重的方法主要有兩個(gè)途徑：一是通過體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，將預(yù)應(yīng)力鋼束布置在腹板外，從而減小腹板厚度；二是改變箱梁腹板的截面尺寸及建材。

2 波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)概述

波形鋼腹板組合PC結(jié)構(gòu)（一般為箱型截面梁）通過采用輕薄的波形鋼板替代了厚重的混凝土腹板，具有以下特點(diǎn)：

（1）降低上部結(jié)構(gòu)的自重。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，箱型截面梁的腹板占整個(gè)截面積的12%～45%，采用波形鋼腹板的質(zhì)量約為PC腹板的1/10，因此可減輕的結(jié)構(gòu)自重約10%～30%。

（2）充分發(fā)揮了兩種材料（混凝土和鋼）的力學(xué)性能和效率。國際上公認(rèn)波形鋼腹板具有縱向伸縮效應(yīng)（即類似與手風(fēng)琴適應(yīng)拉壓的效應(yīng)），使其縱向剛度顯著降低，但由于波形鋼板的抗剪強(qiáng)度很高，因此特別適合代替PC腹板。同時(shí)，當(dāng)對(duì)混凝土頂?shù)装迨┘宇A(yù)應(yīng)力時(shí)，不會(huì)受到波形鋼腹板的約束，不僅能夠減小預(yù)應(yīng)力損失，提高預(yù)應(yīng)力的施加效率，還能夠減少高強(qiáng)鋼束的自重[2]。

（3）波形鋼板通過自身的形狀對(duì)自身起到加勁作用，其剪切屈曲強(qiáng)度較高，因此其厚度可進(jìn)一步降低，且無需設(shè)置加勁肋。

（4）釆用體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的方法，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力用以抵抗恒載，體外預(yù)應(yīng)力用于承受活載，從而有利于在封閉交通時(shí)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行更換，便于橋梁的維修和加固施工，降低后期養(yǎng)護(hù)成本。

（5）造型美觀。可以把波形鋼腹板涂成各種顏色，使其與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)，尤其適合在山區(qū)和風(fēng)景區(qū)中的應(yīng)用。

3 兩種PC連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)方案

為進(jìn)一步了解波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)的受力特點(diǎn)和潛在優(yōu)勢(shì)，文章以東莞某橋梁工程為背景，分別對(duì)其擬定波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋方案和傳統(tǒng)的PC連續(xù)剛構(gòu)橋方案。通過應(yīng)用橋梁專業(yè)分析軟件Midas Civil對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算其在施工和使用階段的受力和變形，通過對(duì)比分析，掌握兩者的異同之處。

3.1 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案

擬設(shè)計(jì)的波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)方案（方案1）全長340m，跨徑組合為（90+160+90）m，其邊中跨比為0.5628。

上部結(jié)構(gòu)主梁的橫截面采用波形鋼腹板PC箱梁，具體的細(xì)部尺寸為頂板寬16m、底板寬9m；根部梁高為10m，根部高跨比為1∶16；跨中梁高為4m，跨中高跨比為1∶40；梁高按照2次拋物線從支點(diǎn)向跨中漸變；頂板厚30cm，波形鋼腹板厚度從中支點(diǎn)截面的32mm漸變到跨中截面的20mm，底板厚從中支點(diǎn)截面的150cm漸變到跨中截面的35cm。除了在各墩頂截面設(shè)置端橫梁，沿梁長方向間隔4個(gè)節(jié)段設(shè)置1道加勁橫梁，以提高結(jié)構(gòu)的抗畸變翹曲性能。

3.2 普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案

擬設(shè)計(jì)的普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案（方案2）主橋全長340m，跨徑組合為（90+160+90）m，與方案1相同。主橋箱梁為單箱單室豎直腹板斷面，箱頂寬16m、箱底寬9m，翼板長3.5m、翼緣板懸臂端部厚度為0.18m、懸臂根部厚度為0.85m，箱室的頂板厚為0.35～0.55m，底板厚度為0.32～1.20m（由中支點(diǎn)截面向跨中截面按照1.6次的拋物線漸變），腹板分別厚0.45m、0.60m、0.80m。箱梁頂面向兩側(cè)1.5%的雙向橫坡。中支點(diǎn)截面處的梁高為9.2m，跨中截面以及邊跨現(xiàn)澆段梁高度均為3m，箱梁的縱向梁高由支點(diǎn)截面向跨中的漸變曲線為1.8次拋物線。邊跨現(xiàn)澆段長度為9m，底板厚度從合攏段處的0.32m增至中支點(diǎn)處的0.9m。邊跨合攏段及中跨合攏段長度均為2m。

4 兩種預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)對(duì)比性能分析

4.1 有限元分析模型的建立

文章采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas Civil對(duì)以上兩個(gè)橋梁方案進(jìn)行整體受力分析。方案1采用程序自帶的波形鋼板-砼結(jié)合梁截面輸入上部結(jié)構(gòu)的相應(yīng)尺寸，按程序的規(guī)定輸入全橋各截面的尺寸。上部結(jié)構(gòu)的支承條件為采用程序的彈性連接模擬墩梁固結(jié)的主從關(guān)系，暫不考慮樁土模型，在墩底固結(jié)，梁兩端約束橫橋向和豎向方向的位移和相應(yīng)的轉(zhuǎn)角位移，以模擬邊支點(diǎn)。方案1模型包含102個(gè)節(jié)點(diǎn)、98個(gè)單元，波形鋼板采用Q345qC級(jí)低合金結(jié)構(gòu)鋼板彎折成1600型的波形鋼板，頂?shù)装宀捎肅60混凝土，主墩采用C40混凝土。

模型所施加的荷載主要考慮結(jié)構(gòu)的自重及相應(yīng)的二期恒載、體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力鋼束、公路-I級(jí)汽車活載（考慮1.15的偏載系數(shù)及三車道的折減系數(shù)）、溫度荷載（考慮整體升降溫20℃及規(guī)范的溫度梯度）和基礎(chǔ)變位（即考慮墩臺(tái)的不均勻沉降，暫定沉降量為5cm），并按最不利情況進(jìn)行組合。方案2結(jié)構(gòu)有限元分析模型與方案1基本一致，不同在于采用Midas Civil自帶的設(shè)計(jì)截面中的單箱單室截面輸入，結(jié)構(gòu)材料采用C60混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束全部為體內(nèi)束，邊界條件及荷載工況與方案1相同。

4.2 兩種結(jié)構(gòu)的受力性能對(duì)比

結(jié)構(gòu)的受力和變形特征為大跨PC連續(xù)剛構(gòu)在施工和使用階段驗(yàn)算的主要控制點(diǎn)，其在使用階段最大應(yīng)力和跨中最大撓度值如表1、表2所示。

表1 正常使用極限狀態(tài)最大混凝土壓應(yīng)力一覽表

表2 兩種模型計(jì)算撓度一覽表

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，方案1中混凝土的最大壓應(yīng)力比方案2有更大富余度，說明方案1的抗彎能力占優(yōu)。

從表2中的數(shù)據(jù)可知，方案1的最大跨中撓度比較大，約為方案2的2倍，這是因?yàn)椴ㄐ武摳拱暹B續(xù)剛構(gòu)的截面抗彎剛度相對(duì)較低。實(shí)際上，對(duì)于波形鋼板連續(xù)剛構(gòu)而言，應(yīng)增加梁高，以提高結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力和結(jié)構(gòu)剛度。由于波形鋼腹板的剪切屈曲問題，受腹板高度的影響較大，腹板越高，其剪切屈曲強(qiáng)度越低，如果能夠從構(gòu)造上解決該問題，則能改善結(jié)構(gòu)抗彎剛度的不足，下一步可以考慮通過采用雙肢波形鋼腹板對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加梁高。

4.3 恒活載分配情況的對(duì)比分析

目前，在100～300m的跨徑領(lǐng)域，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但隨著跨徑的增大，其恒載占重比不斷增大。由于自重引起的梁體撓度過大以及腹板開裂等病害限制了PC梁橋的跨越能力，因此對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，其恒載和活載的分布情況能夠反映其承載能力。上述兩種方案的恒活載的分布情況如表3所示（以中支點(diǎn)截面的最大負(fù)彎矩值為代表）。

表3 以支點(diǎn)截面承受的彎矩情況來比較其恒活載的分配情況的兩種方案

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，與傳統(tǒng)的PC連續(xù)剛構(gòu)相比，采用波形鋼腹板方案可減少53.1%的恒載。普通PC連續(xù)剛構(gòu)的汽車活載效應(yīng)只占總效應(yīng)的8.3%，因此提高其跨徑的經(jīng)濟(jì)代價(jià)太大。通過改用波形鋼板代替常規(guī)的PC腹板之后，由于結(jié)構(gòu)的恒載降低使得其相應(yīng)的活載占比提高至15.1%，相當(dāng)于方案2的1.8倍。結(jié)合上述受力性能分析的結(jié)果可知，方案1雖然能通過降低結(jié)構(gòu)自重以增大氣活載占重比，但因?yàn)椴ㄐ武摳拱宓母叨仁艿角鷱?qiáng)度的影響不能設(shè)置得太高，因此如果能通過構(gòu)造措施如采用雙肢來解決波形鋼腹板的高度受限問題，還能再提高其跨越能力。

5 結(jié)論

（1）波形鋼腹板組合箱梁通過采用輕盈纖薄的鋼板替代了厚重的混凝土腹板，具有較大的優(yōu)勢(shì)，有望在業(yè)內(nèi)進(jìn)一步推廣。

（2）采用波形鋼腹板能夠顯著降低結(jié)構(gòu)的自重，從而充分發(fā)揮混凝土和鋼材的性能。計(jì)算表明，相同情況下采用波形鋼腹板的連續(xù)剛構(gòu)的抗彎承載力表現(xiàn)出比較大的優(yōu)勢(shì)，不足的是其撓度較大，若能克服腹板屈曲失穩(wěn)的問題，將能進(jìn)一步提升其跨越能力。

（3）通過對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案的活載占重比的對(duì)比分析，進(jìn)一步證實(shí)了波形鋼腹板能夠改善結(jié)構(gòu)受力，并具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>