波紋鋼腹板PC組合箱梁橋的研究與應用狀況

高 磊 王日升 王文正 趙 欣 張艷秋 李 飛

(北京市政建設集團有限責任公司第三工程處，北京 100176)

0 引言

世界上第一座波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁——Cognac高架橋在1986年問世后，接連建成Maupre橋、Asterix橋和Dole橋三座同類橋[1]，這種新型結構用波紋鋼腹板代替了傳統混凝土腹板，因避免了混凝土腹板箱梁橋自重大、工期長、易開裂的問題而被廣泛關注。日本繼法國后對波紋鋼腹板PC箱梁組合橋進行了詳細研究，進展顯著，出現了多種截面形式和結構體系，目前在建、已建橋梁超過200座[2]，是日本高速公路推薦橋型[3]。而我國對此類橋梁的研究起步較落后，1998年開始對其力學性能進行研究，2005年1月在江蘇淮安建成我國首座波紋鋼腹板PC組合箱梁人行橋(見圖1)，同年7月建成光山潑河橋(見圖2)，是我國第一座裝配式波形鋼腹板PC連續箱梁公路橋[4]，隨后引起了國內學者的廣泛研究和探討。

近年來，為滿足工程需要，國內學者對這種新型結構的研究也日益深入，2010年—2016年期間文獻數量以每年百余篇的數量增長，2017年和2018年突破至300余篇，截止2017年橋梁建設110多座，里程數超過40 km，我國該類橋梁的建設已形成自具特色的發展路線，且總體技術水平已進入創新和超越時代。本文對波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁的研究現狀、結構優點、主要施工方法與工程應用幾個方面進行了總結，為今后波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁的發展提供一定借鑒。

1 研究現狀

1.1 結構構造

波紋鋼腹板PC箱梁用波紋鋼腹板代替了傳統混凝土腹板，主要由混凝土頂板、混凝土底板、波紋鋼腹板、體內預應力索、體外預應力索以及橫隔板構成，具體結構如圖3所示。因無法在波紋鋼腹板中布置預應力筋，常在混凝土頂板和底板中布置預應力筋抵抗施工時的荷載及自重，在箱內布置外部預應力筋抵抗活荷載[5]。

波紋鋼腹板構造如圖4所示，幾何參數包括板厚t，斜板段a，平直段b，內側彎曲半徑r以及波高h。波紋鋼腹板幾何參數的選擇，要滿足美觀、造價、環保等經濟因素，同時應達到各個力學要求，保證正常使用。王軍[6]通過大量統計國內外波紋鋼腹板PC箱梁橋梁的鋼腹板厚度、梁高及跨徑等參數的數值，較為準確的找到了鋼腹板參數的取值范圍。

1.2 力學性能研究

20世紀90年代，在幾座波紋鋼腹板PC箱梁橋相繼建成后，國內學者展開了針對這種新穎結構的力學性能研究，利用橋梁模型試驗、有限元分析、對比分析等方法從抗剪性能、抗彎性能、扭曲畸變效應以及動力學特性等方面進行了探討。

對波紋鋼腹板PC箱梁橋抗剪性能的研究相對比較多，國內學者從分配系數、剪力滯后效應等多個方面進行了分析。周緒紅等[7]采用有限元法研究了波紋腹板參數對構件非線性剪切屈曲強度的影響，得出了波紋鋼腹板PC箱梁剪力主要由鋼腹板承擔的結論。劉超、鄧文琴等[8，9]在平截面假定等條件下，針對變截面波紋鋼腹板提出了一種剪應力計算理論，并給出了腹板和混凝土頂板、底板的剪應力分配系數。吳文清等[10]同樣采用空間有限元法，分析了翼板剪力滯后效應的分布規律以及影響因素，并得出了剪力滯后效應系數。

由于存在手風琴效應，鋼腹板軸向和彎曲剛度遠小于混凝土頂板、底板，在日本規范《波折腹板箱梁橋規劃手冊(試行)》中，在計算波紋鋼腹板PC箱梁的軸向和彎曲剛度時，也并不包括鋼腹板[11]。陳建兵等[12]通過對波紋鋼腹板PC箱梁建立模型，分析了此類橋梁的彎曲應力計算模式，認為應根據翼緣板的屈服應力確定極限抗彎承載力。目前針對抗彎性能的研究相對于抗剪性能較少，是國內學者仍需完善的一方面。

作為重點問題之一，對于波紋鋼腹板PC箱梁畸變效應影響的研究開展稍晚，大多是以傳統混凝土箱梁理論為基礎對波紋鋼腹板PC箱梁畸變效應進行推導。國內最早可追朔到2003年李宏江等[13]的研究，分析了偏心荷載對波形鋼腹板箱梁的畸變效應影響，提出了畸變計算模式，并用兩根箱梁模型進行了靜載試驗，驗證了該理論的計算精度。

作為地震多發國，對波紋鋼腹板PC箱梁的動力學特性的研究也顯得尤為重要。冀偉等[14]將有限元計算結果與實驗結果對比，提出了一種建模方法。還發現中橫隔對波紋鋼腹板箱梁動力特性的影響小于支座橫隔板，通過合理減少中橫隔板達到經濟更優。鄭尚敏、李杰等[15，16]研究了體外預應力對波形鋼腹板簡支箱梁自振頻率的影響，得出了體外預應力會增大自振頻率的結論。

2 波紋鋼腹板PC箱梁優勢

相對于傳統混凝土箱梁橋，波紋鋼腹板PC箱梁存在以下優勢：

1)自重降低，經濟成本降低。混凝土腹板占了主梁自重的30%～40%[17]，改用波形鋼腹板后箱梁自重降低25%～30%[18]，下部結構工程量得到降低，基礎負擔降低使地震的激勵作用變小。

2)工期短。整體自重減輕后，當采用節段懸臂澆筑施工方法時，可以增加每節段的施工長度；另外，現澆施工時鋼腹板省去了支模養護過程，在工廠預制后現場吊裝即可，從而有效縮短施工周期[19]，進一步降低了造價。

3)有效避免腹板開裂問題，耐久性好。傳統箱梁在荷載作用下因收縮、徐變等因素，會導致混凝土腹板產生斜裂縫，改用波紋鋼腹板后，避免了此類問題，耐久性高。

4)受力合理，提高預應力施加效率。由于手風琴結構，波紋鋼腹板PC組合箱梁的腹板基本不承擔軸向力，大多由混凝土頂板與底板承擔。這樣可以提高混凝土頂板和底板的預應力施加效率。另外，鋼腹板對混凝土頂板和底板的變形沒有限制，不會發生應力轉移。

5)體外預應力束維修便利。體外預應力束在長時間工作后，可在橋臺后面的張拉室對體外預應力束進行檢查。當出現應力損壞甚至斷裂時，可在夜間進行更換，方便快捷。

6)裝飾方便。相比于傳統腹板，波紋鋼腹板裝飾更方便，可以與周圍環境融為一體，且外邊面呈現出波浪形，更具欣賞性。

3 施工方法與工程應用

目前國內波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法主要包括滿堂支架法、懸臂法、頂推法三種。我國部分波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法統計見表1。

表1 我國部分波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法

1)滿堂支架法：滿堂支架法一般用于跨徑小于80 m的橋梁波紋鋼腹板PC箱梁組合橋[21]，Cognac高架橋便采用滿堂支架施工方法。由于施工方法簡單，并且無需大型吊裝設備、廣泛實用等優點，我國早期的波紋鋼腹板PC箱梁組合橋均采用此類方法。但施工工期相對較長，且對地基要求較高。

2)懸臂法：當橋梁跨徑為80 m～250 m時，常使用懸臂法，包括節段懸臂澆筑以及預制節段懸臂拼裝兩種。由于用鋼腹板代替了傳統混凝土腹板，自重降低，節段長度可適當增加。隨著施工技術水平的提高，從表1可以看出，懸臂法成為近年來波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的主流施工方法。具有不影響交通，節省施工用材等優點。

3)頂推法：頂推法是2015年在我國首次采用的一種波紋鋼腹板PC箱梁組合橋施工方法，應用于鄭州常莊干渠高架橋的施工當中。此類方法施工效率較高，工期較短，并且在施工過程中可不斷調整位置，縮小誤差。目前僅被應用于小跨度波紋鋼腹板PC箱梁組合橋。

4 結語

波紋鋼腹板PC組合箱梁橋在我國只有短短十幾年歷史，但相比于傳統混凝土箱梁橋其優點突出，越來越受到國內學者和建筑行業的關注，工程實例增長也越來越快。希望本文能夠對波紋鋼腹板PC組合箱梁橋在我國的發展提供幫助。相信隨著不斷深入的研究和技術水平的提高，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋會在我國的橋梁建設中留下濃墨重彩的一筆。