波形鋼腹板組合梁橋的技術與發展

吳啟明 董桔燦

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518029）

1 發展概況

1986年法國建成世界上第一座波形鋼腹板組合梁橋——Cognac橋，經過數十年的發展，在德國、挪威、日本等國得到了大范圍推廣。

日本是此類橋梁建設較多的國家，已建數量超過300座。主跨跨徑組合173.4 m+2×235.0 m+173.4 m的矢作川斜拉橋是世界上第一座波形鋼腹板組合梁斜拉橋。

國內應用起步雖較晚，但發展迅速，從2005年建成了第一座波形鋼腹板組合梁橋——江蘇淮安長征橋起，已建數量超百余座，2006年山東鄄城黃河主橋的建成，標志我國已進入成規模的應用階段。深圳東寶河大橋（88 m+156 m+88 m連續梁）跨徑在同類型橋梁中居世界前列。鄭州朝陽溝大橋為國內跨徑最大的部分斜拉橋，跨徑組合（58+118+188+108）m，技術難度較高。

2 空間力學特性

2.1 剪力滯效應和翼緣有效寬度

國內公橋規及國外BS5400、Eurocode4、AASHTO有關于混凝土梁、組合梁翼緣有效寬度的規定，是否適用于波形鋼腹板組合梁應進行進一步研究。使用有限元方法，可得到波形鋼腹板組合箱梁與傳統混凝土箱梁在中支點處的頂板應力分布情況，兩種橋型跨徑均為（88+156+88）m，梁高均為3.5～8.3 m，梁寬均為16.25 m。相關數據表明，波形鋼腹板組合箱梁具有明顯的剪力滯效應。

波形鋼腹板組合箱梁與傳統混凝土箱梁在中支點處的頂板應力分布如圖1所示。

圖1 應力分布

剪力滯效應與荷載形式有關，研究表明，集中荷載作用下的剪力滯效應需要高于均布荷載。現有的規范針對翼緣有效寬度的規定只適用于均布荷載，集中荷載占比較大時，安全性較低。除此之外，汽車活載的情況較為復雜，其荷載包括均布荷載、集中荷載，且需要按照影響線進行最不利加載，因此，常規的分析方法無法適用，建議采用差分法對剪力滯效應微分方程進行數值求解。

2.2 扭轉效應

扭轉包括剛性扭轉、畸變，針對剛性扭轉，目前常采用烏二理論進行分析，其基于變形協調、幾何方程和物理方程建立關于扭矩、翹曲雙力矩和翹曲函數的微分方程。由于假定為理想薄壁構件，與實際情況不符，且該理論忽略了部分變形能項，導致其精度較低。

畸變理論放棄了烏二理論中的剛性周邊假定，并在翹曲變形基礎上考慮截面框架變形和翼緣板彎曲變形。通過變量變分法可得到關于畸變角的四階微分方程。波形鋼腹板的力學特性較復雜，其力學模型更接近正交異性板，在扭轉荷載作用下，變形模式的具體形式需要進一步研究，傳統的畸變分析理論不再適用。

針對上述剛性扭轉和畸變兩種效應，提出了基于廣義坐標法的扭轉畸變耦合理論，且確定廣義坐標是解決問題的關鍵。

2.3 單箱多室截面多塊腹板的剪力分配

單箱多室截面可適用較大的橋面寬度，且其整體性好，已逐步得到廣泛應用，如鄭州朝陽溝特大橋采用單箱了四室截面。

單箱多室截面的波形鋼腹板剪力計算時，不可簡單按均勻進行分配處理。通常情況下，中間腹板的剪力應大于邊腹板，精確分析需要借助箱梁剪力流理論，并假定波形鋼腹板的剪力流沿高度方向均勻分布。

鄭州朝陽溝特大橋腹板剪力分配系數的縱向分布如圖2所示。

圖2 朝陽溝特大橋腹板剪力分配系數沿橋梁縱向的分布

3 設計技術

3.1 概念設計

波形鋼腹板PC橋梁的結構形式包括簡支梁、連續梁橋、連續剛構橋、斜拉橋。針對截面形式，普遍采用單室箱截面。相關文獻指出，具有多室箱梁的波形鋼腹板結構中，若干問題仍未明確，有必要進行詳細研究。若相關問題可使用試驗、FEM分析等進行評價，也可應用多室箱截面。主要問題包括各腹板分擋的剪力的比例、扭轉剛度的評價方法、翹曲應力的計算方法、板的設計彎矩的計算方法等。

梁高可參照傳統混凝土箱梁橋，但選擇較高的梁高較為經濟合理。

3.2 波形鋼板的設計

目前波形鋼腹板的波形主要有1000型、1200型、1600型三種，較小的型號波高較小，可提高剪切局部屈曲強度，但會降低剪切整體屈曲強度。跨徑較小時宜采用1000型，跨徑較大時宜采用1600型。與此同時，應考慮考慮運輸條件、施工可行性、經濟性等。

隨著技術進步，波形鋼腹板組合梁橋逐漸向更大的跨徑發展，以往的三種規格的波形鋼板已難以滿足實際工程需求，提出了更大規格的2400型。當板厚較大時，2400型擁有更高的剪切屈曲承載力。波形鋼腹板厚度34 mm時，2400型與1600型的梁高-剪切屈曲承載力曲線、最大剪力-跨徑曲線如圖3所示。

圖3 2400型與1600型波形鋼腹板剪切屈曲承載力與適用性對比

由圖3可知，梁高≥9.65 m時，2400型的剪切屈曲承載力高于1600型。

3.3 連接件的設計

目前采用較多的連接件形式包括栓釘連接件、雙開孔鋼板連接件、單開孔鋼板+栓釘連接件、角鋼連接件、埋入式連接件。

針對埋入式連接件，相關資料表明，其具有充分的疲勞強度，設計施工時，應注意波形鋼腹板與混凝土底板耐腐蝕性的問題。針對雙開孔鋼板連接件方面，混凝土銷的驗算難度較大，可考慮橢圓孔，深圳東寶河大橋中支點附近采用此種開孔方式。針對角鋼連接件，其U形筋包括與角鋼焊接、不焊接兩種方式，與角鋼焊接的方式承載力有所提高，但會降低疲勞性能，推薦采用與角鋼不焊接的方式。

3.4 內襯與墩頂節段的設計

中支點附近設置內襯可降低傳遞剪力、緩和剛度突變、避免波形鋼腹板屈曲。腹板高度較大的情況下，支點附近的波形鋼腹板由于承受豎向反力，應力狀態較為復雜，抗屈曲能力降低，因此，須在中支點附近設置內襯。《波型鋼腹板組合梁橋技術標準》（CJJ/T 272—2017）中規定，內襯混凝土的長度不小于支點處梁高，內襯混凝土的厚度應根據抗剪承載力和斜截面抗裂計算確定，最薄處不宜小于20 cm。

3.5 橫隔板的設計

橫隔板是提高波形鋼腹板組合箱梁抗扭能力的重要構件。由于抗扭剛度和腹板面外剛度明顯降低，波形鋼腹板組合箱梁的扭轉效應較為顯著，應按照更小的間距設置橫隔板。《波型鋼腹板組合梁橋技術標準》（CJJ/T 272—2017）指出，中等跨徑的工程實例中，橫隔板間距為10～25 m，橫隔板設置的具體措施，需要完善扭轉分析理論。

4 結語

作為一種力學性能優秀的新型組合結構，波形鋼腹板組合梁橋的技術已日趨成熟，行業標準的發布為其技術水平的提升提供了參考依據，可增加波形鋼腹板組合梁橋的使用數量，提升工程質量。