波形鋼腹板組合箱梁橋概述及設計要點

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510000)

引言

在預應力混凝土箱梁中，由于腹板布筋和縱向預應力筋轉向的需要，增加腹板的厚度在所難免，從而導致腹板面積高達截面面積的百分之三十左右。因此，運用新型結構以減少預應力混凝土箱梁腹板厚度，是減輕箱梁自重十分有效的途徑。波形鋼腹板組合箱梁橋應運而生，這種結構運用鋼材代替混凝土腹板，實現主梁的輕型化，進而減少了墩臺基礎的工程量，是一種具有代表性的組合結構橋梁。

隨著體外預應力研究的日趨成熟，以及鋼材在建筑領域的發展，法國首先提出了用平面鋼板代替箱形截面混凝土腹板，以達到減小主梁自重的目的。后經過進一步研究優化，法國 CB 公司產生了用波形鋼板代替平面鋼板的設想。這種波形鋼板因其在軸向為折迭狀板，因此不會限制由頂底板混凝土的徐變、收縮產生的變形。在軸向預壓力作用時，波形鋼能產生較大變形，從而避免了由于常規混凝土腹板的約束作用而造成截面預應力的損失。

一、波形鋼腹板組合箱梁橋的特點

(一)構造特征。1.波形鋼腹板之間的連接：頂底板混凝土板在現場澆筑，而波形鋼腹板可在專業加工場所分段加工成型，然后運送至現場，進行節段之間的連接，再做防護噴涂處理。通常，現場波形鋼腹板的連接采用焊接翼緣板，把鋼板相互對接坡口焊的方法。或將鋼板預留一部分重疊區，先用螺栓臨時連接，后采用貼角焊。2.體內、體外預應力混合配束：懸臂澆筑時，在混凝土頂板中配置縱向預應力筋，用以抵抗懸臂施工時的荷載及自重產生的負彎矩。在箱梁內部配置體外束并通過梁端的橫墻和橫隔板來轉向，實現曲線配筋，用于抵抗成橋運營后的活載。3.波形鋼腹板與頂底板混凝土的連接方式：對于剪力連接鍵的形式，可采用在波形鋼腹板的上下端部各焊接翼緣板，在翼緣板上密布豎向的剪力釘，或采用翼緣板鉆孔，穿過貫通鋼筋，使之與混凝土板有效結合。

(二)力學特性。1.軸向變形特性：波形鋼板在軸向力作用下可發生較大變形，其表觀彈性模量很小。因此，在進行設計時，波形鋼腹板承受的軸向力可以忽略不計，軸向力僅由頂底板混凝土承擔。2.主梁的抗彎承載力計算：當梁產生彎曲變形時，可以不考慮波形鋼腹板的抵抗作用，僅考慮頂底板混凝土的幾何特性對截面產生的貢獻，也就是說，荷載產生的彎矩僅由頂底板混凝土計算所得的截面抵抗。3.波形鋼腹板的屈曲穩定性：主梁在受彎的同時，還受到剪力的作用。抗剪驗算時可忽略頂底板混凝土的抗剪作用，假設剪力全部由腹板來承擔，同時計算其屈曲應力，即進行波形鋼腹板的屈曲穩定驗算。4.截面的抗扭特性：主梁在偏心荷載的作用下產生扭轉時，波形鋼腹板的抗彎剛度貢獻與頂底板混凝土相比很小，因此頂底板混凝土內會產生更大的扭轉翹曲應力，故應通過增加橫隔板或布置更多橫向聯結構件來限制主梁的扭轉變形。

二、波形鋼腹板組合箱梁橋設計要點

(一)剪力連接鍵。鋼-砼組合梁中，鋼材與混凝土之間的結合面極易發生粘結破壞。為保證不同材料能夠有效地結合，共同發揮工作，必須在結合面處設置抗剪連接鍵，令其既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用，此外還需滿足拉力和疲勞強度等功能要求。

結構在鋼-砼連接部位的受力狀態十分復雜，抗剪連接鍵的破壞形式一般可分為自身破壞和周圍砼的破壞。①連接鍵自身破壞一般發生在砼強度等級比較高的時候。這時連接鍵的承載力取決于連接鍵的形式及材質，包括焊縫破壞、栓釘破壞或變形超過限值。②連接鍵周圍的砼破壞表現為連接鍵根部砼的局部受壓或劈裂破壞。在這種情況下，抗剪連接鍵的承載力取決于砼強度等級及品種。

(二)剪力滯效應。波形鋼腹板組合箱梁與混凝土腹板箱梁一樣，沿箱梁橫向也存在彎曲應力分布不均勻的現象，稱為“剪力滯效應”。

為分析波形鋼腹板組合箱梁的剪力滯效應，需采用空間有限元的方法，系統地分析波形鋼腹板組合箱梁的縱、橫向剪力滯效應分布規律和截面各項參數產生的影響。

在集中荷載或均布荷載作用下，跨中截面以腹板與肋板交界處的剪力滯效應最為嚴重。當荷載作用位置在支點附近時，剪滯系數明顯增大。此外，結構的幾何參數如寬跨比、懸翼比、波高等的變化對簡支組合箱梁跨中截面剪滯效應均有一定影響，故需從整體上把握組合箱梁剪力滯的分布規律。

(三)抗彎性能。由于波形鋼腹板縱向剛度很低，與混凝土產生相同應變時，應力要小得多，對截面抗彎承載力的貢獻很小，計算截面抗彎承載力時一般只需要考慮頂底板混凝土的作用。模型試驗和有限元分析結果表明，波形鋼腹板箱梁受彎時，其應變可假設滿足線性分布規律，稱之為波形鋼腹板組合箱梁的“擬平截面假定”。

此外，波形鋼腹板組合箱梁橋體外預應力的二次效應和應力增量會顯著影響其極限承載力，考慮二次效應和應力增量的計算過程涉及到迭代非線性，復雜性大大提高。通過理論研究和實踐表明，在箱梁內部合理設置轉向器，可以基本抑制體外預應力的二次效應。因此，在初步設計時，體外束的二次效應可不作考慮。而計算體外束的極限應力增量時，通常可借鑒預應力混凝土結構的計算公式，人為假設極限應力增量，可以在設計中降低體外束的張拉控制應力。

(四)抗扭性能。通過相似模型試驗和建立有限元模擬分析，在扭矩作用下，相較于普通預應力混凝土箱梁，波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁頂底板產生的的軸向應變顯著增大。設計時一般采用合理布置橫隔板來增加主梁的抗扭性能。

在研究波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁的扭轉特性時，可作如下假定：

1.與混凝土翼緣板相比，波形鋼腹板的橫向撓曲剛度要小得多，為使計算結果更加保守，通常可假定腹板與翼緣板之間的連接方式為鉸接。

2.只考慮波形鋼腹板的抗剪作用，而忽略其產生的軸向應力。

基于此，國外學者提出了波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁的抗扭剛度公式:

隨著橫隔板數量的增加，扭轉荷載作用下的橫向位移和豎向位移最大值產生了不同程度的下降，縱向位移更是在整個跨徑范圍內都有明顯減小。由此可知，通過增加中橫隔板的數量可以限制波形鋼腹板箱梁的扭轉位移，但數量越多對于減少位移的貢獻越少。在不過多加大自重的前提下，合理調整橫隔板間距，可以有效提高結構的抗扭性能。