淺談波紋鋼腹板預應力混凝土連續箱梁的設計

解冰 羅旭 曲研

一、預應力混凝土連續箱梁存在的問題概述

1.預應力混凝土連續箱梁下撓的原因分析

（1）在橋規中沒有確定PC梁橋的恒載跨中撓度允許值，通常誤以為簡單用L/600值（L為主跨跨徑）來替代該限制，由此進行設計容易造成結構變形過大而產生大量裂縫等病害，根據相關調研結果，應明確PC梁橋跨中砼徐變撓度的允許值為L/1600，以此作為控制梁變形的重要指標。

（2）產生初始撓度的主要原因是梁內存在彎矩差Me=MT-Mg所致。其中MT是梁內預應力彎矩，Mg懸臂施工自重彎矩。如果在設計實行“恒載零彎矩”理論，即有意識使MT=Mg，從而Me≈0，合攏時初始撓度就接近為零，這樣運營后砼徐變撓度ft也不大，就能做到ft≤L/1600，基本不開裂。

（3）適應加大梁高（寬度不加）是減少跨中撓度的重要手段。特別要加大跨中梁高，達到支點梁高的1/2水平。泰和贛江公路大橋（155m）是大跨徑公路橋首次有意識采用該方式來控制撓度的橋梁，具有示范性意義。鐵路橋梁很少出現跨中下撓過大的主要原因也是由于其跨中梁高一般取為支點梁高的一半，但目前公路橋普遍采用跨中梁高為支點的1/3。

（4）很多預應力混凝土連續箱梁雖然設置了預拱度，但是由于沒有消除梁內彎矩差Me，因此它就不能改變砼徐變下撓的絕對值，只能改善橋面線型，當預拱度值越大則以后下撓的程度也越大。

2.預應力混凝土連續箱梁腹板開裂的主要原因分析

眾所周知，中小跨徑PC箱梁腹板開裂是長期普遍存在的病害，綜合歸納國內研究成果，其原因主要如下：

（1）砼材料性能差。砼材料的容許抗剪應力[τ]=-2.7MPa，容許主拉應力[σ]=-3.2MPa，僅為容許壓應力[σ]=19.5MPa的（1/7-1/6），這是砼材料先天性的缺陷。

（2）工藝不當。箱梁腹板常用精軋螺紋粗鋼筋豎向預應力來彌補腹板抗剪能力的不足。但國產高強精軋螺紋粗鋼筋的生產質量不穩定，在工藝上不能實現多次重復補張拉，造成設計的豎向預應力失效，這是腹板開裂的重要原因之一。

（3）設計計算存在問題。國內橋梁行業的工程實踐表明，PC連續梁的主拉應力驗算經常在計算中被忽視，使得腹板存在開裂的隱患。

（4）超重車的管制不足。在國內，總重130t～150t的超重車在公路和橋梁上屢禁不止，大大超出了橋規的設計標準車的重量，這也是造成腹板開裂的原因。

二、波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁的崛起與發展

由于波形鋼腹板具有優異的抗剪性能，能夠徹底解決砼腹板開裂的頑癥，通過加大梁高來提高抗彎剛度，能有效地控制跨中持續下撓，克服了PC箱梁的兩大弊病，促進了大跨度連續梁橋的發展。上世紀90年代，日本在引進波形鋼腹板PC組合箱梁后，對其進行了深入研究和推廣發展，成為世界上修建此類橋梁最多的國家，迄今為止已經建成200余座。目前日本新名神高速安威川橋（主跨170m）為世界上最大跨徑波形鋼腹板PC剛構橋。

我國90年代末才引進波型鋼腹板-PC箱梁研究，起步較晚但發展迅速，在21世紀中旬才相繼建成第一座人行橋（江蘇淮海長征橋）。2005年建成河南潑河大橋（47+52+47=146m）是第一座高速公路波腹PC連續梁橋。2011年竣工的山東鄄城黃河大橋（70+11×120+70=1460m），是第一座采用懸臂澆筑連續梁橋，也是世界上最長和最大規模的連續梁。該橋建成標志著中國波形鋼腹板-PC箱梁橋已進入世界先進水平之列。據不完全統計，目前中國已建成各類波形鋼腹板-PC箱梁近30座，正在施工和籌建的近40座。可以預見中國正邁入一個新的發展階段，波形鋼腹板PC組合箱梁應用的春天正在形成。

波形鋼腹板-PC箱梁橋在國際上屬成熟技術，但在我國還屬于新技術推廣應用階段。目前大多數為支架現澆連續梁，在斜拉橋和拱橋等橋型推廣剛起步；施工方法已實施簡支吊裝、掛籃懸澆和頂推等工藝。綜合評定中國波形鋼-PC箱梁橋的設計和施工水準，屬發展初期，以學習日本經驗為主，在自主創新方面做得不夠：目前波形鋼腹板連續梁的跨徑L不超過160m，單箱單室的橋寬L不大于18m。與PC箱梁橋比較，波形鋼腹板僅減輕腹板重量20%，對于大跨徑橋梁而言，其節省效果不明顯。在我國山區尤其是西部山區高速公路中的高墩大跨橋梁工程中，迫切需要波形鋼腹板-PC剛構橋200m橋跨以上的突破。

應當指出，目前在建的波形鋼腹板-PC箱梁橋設計中，還沒有考慮“懸臂施工恒載零彎矩設計”。例如，山東鄄城黃河公路橋合攏前初始撓度按L/600為限值控制，導致其剛度不足，在砼徐變作用下，跨中撓度將持續增長，可能會出現類似于PC連續箱梁的病害情況。

三、雙肢波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁的提出及設計方案

1.雙肢波形鋼腹板PC連續箱梁概述

日本國土狹窄，修建大跨徑波形鋼腹板PC箱梁的經驗其實也不算多（豐田巴川橋的連續梁最大跨徑L=164m）。目前，制約波形鋼腹板-PC箱梁跨徑發展的關鍵在于單肢波形板屈曲失穩問題，從而導致波紋鋼腹板的豎向高度h沒有突破10m，進一步影響該類橋的梁高及跨越能力。日本在建安威川橋腹板最大高度h=9.55m，相應最大跨徑L=170m，這還遠不能滿足目前對波紋鋼腹板-PC箱梁在跨越能力上的期望，迫切需要解決波形鋼腹板的屈曲失穩問題。

華東交通大學上官興、徐海燕教授自2010年以來，組織三位研究生對雙肢并列的波形鋼腹板進行了系統研究，其中腹板的間距2m左右，其間用套筒螺栓沿高度布置來減少波形鋼板的自由長度，并按恒載零彎矩理論所得到的跨徑與梁高的關系。研究表明實現恒載懸臂施工“零彎矩”，所需要的支座梁高在（L/16）到（L/12）之間（L為主跨跨徑），大于一般預應力混凝土連續箱梁的取值L/18。此外，由于波形鋼腹板重量只有砼的1/9，故適當加大腹板高度既不會顯著地增加結構的自重，又能增大截面的抗彎性能及加大梁內預應力的效果。

2.初擬雙肢波形鋼腹板PC連續箱梁設計方案

以某大橋的初步設計為背景，擬定雙肢波形鋼腹板PC連續箱梁的設計方案，考慮到該橋的單孔通航凈寬為136m，凈高為8m，水流中心與橋縱軸成97 斜交，擬將主跨跨徑定為180m。該方案橋寬為16m，橫橋向共設置兩組四條1600型的波形鋼I字梁腹板。雙肢波形鋼腹板的間距為2.0m，支點梁高取12m，跨中梁高6m，當腹板高度超過6m時，兩肢波形鋼腹板沿豎向每2.5m設置一道套筒螺栓，以減小高度方向的自由度。對梁高超過7m的梁段，在雙肋波形鋼之間回填C50砼，用以降低截面重心和增大頂板預應力的力臂，并通過這種做法解決了波形鋼腹板的屈曲失穩問題。

四、結語

綜上所述，可得到以下結論：

1.造成國內大跨度預應力混凝土連續箱梁跨中下撓和腹板開裂的主要原因為跨中梁高設置不足，設計沒有踐行“恒載零彎矩”的理念，超重車的違規行駛等。

2.波紋鋼腹板自重輕，剛度大，抗剪能力強，非常適合于大跨度連續箱梁的應用，但由于單肢波紋鋼腹板的屈曲失穩問題，制約其發展，且目前國內外尚缺少大跨度波紋鋼腹板連續箱梁的設計經驗。

3.通過采用雙肢波紋鋼腹板的方式，輔以相應的構造措施，可解決波形鋼腹板的屈曲失穩問題，但目前業內需要加強該種橋型的工程實踐，進一步提高其跨越能力，為我國的交通建設事業服務。