大跨徑PC連續(xù)箱梁橋與波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋靜力特性對比

金建敏 陳人龍 陳海興

（1.浙江交投高速公路建設管理有限公司，浙江 杭州 310008；2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030）

傳統(tǒng)PC連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)剛度大、整體性能好，且施工工藝成熟，施工質(zhì)量和工期都有較好的保證與控制，在我國橋梁建設領(lǐng)域得到了廣泛應用。波形鋼腹板連續(xù)箱梁是指，用波形鋼板作為腹板替代傳統(tǒng)PC連續(xù)箱梁混凝土腹板的鋼-混組合結(jié)構(gòu)箱梁[1]。其1986年興起于法國，之后數(shù)十年間在德國、挪威、日本等國得到大范圍推廣和應用[2]。2005年，波形鋼腹板橋梁首次被引入中國，之后迅速發(fā)展。目前，我國已成為世界上應用波形鋼腹板橋梁的主要國家之一。

相較于傳統(tǒng)PC連續(xù)箱梁橋，波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋不但減輕了箱梁自重，而且提高了混凝土頂、底板的預應力效率[3]，從而增強了橋梁的跨越能力。雖然利用波形鋼腹板代替混凝土腹板意味著能減少現(xiàn)場混凝土澆筑作業(yè)，加快施工進度、縮短工期。但是，波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋也存在生產(chǎn)成本較高、截面抗扭剛度不足、鋼腹板需定期養(yǎng)護等缺點。為此，本文結(jié)合主跨為120m的鳳臥橋工程實例，對比分析了大跨徑PC連續(xù)箱梁橋與波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋的靜力特性。

一、工程背景

瑞蒼高速公路鳳臥橋位于溫州市平陽縣鳳臥鎮(zhèn)境內(nèi)，上跨平陽防洪工程。該防洪工程現(xiàn)狀寬度60m，斜交角130°。為滿足水利要求，鳳臥橋主跨跨徑定為120m，跨徑組合為70m+120m+70m，主橋總長為260m。鳳臥橋主橋為雙向四車道高速公路，分左右兩幅，單幅橋面寬12.5m，設計行車速度100km/h，地震峰值加速度＜0.05g。鳳臥橋主橋上部結(jié)構(gòu)設計擬定了PC連續(xù)箱梁橋和波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋兩種橋型方案作為比選。鳳臥橋主橋的橋型布置如圖1所示。

圖1 鳳臥橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 PC連續(xù)箱梁橋墩頂橫斷面（單位：cm）

圖3 PC連續(xù)箱梁橋跨中橫斷面（單位：cm）

（一）PC連續(xù)箱梁橋方案

上部結(jié)構(gòu)主梁采用變高度單箱單室直腹板截面，頂板寬度為12.3m，底板寬度為6.5m。中支點截面高度為7.5m，高跨比為1/16；跨中截面高度為3m，高跨比為1/40；梁高采用1.8次拋物線變化。頂板厚度為0.28m，底板厚度為0.3m～1.5m，腹板厚度為0.5m～1.1m，主梁采用三向預應力體系。

PC連續(xù)箱梁橋典型斷面如圖2和圖3所示。

（二）波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋方案

上部結(jié)構(gòu)主梁采用變高度單箱單室波形鋼腹板截面，頂板寬度為12.3m，底板寬度為6.5m。中支點截面高度為7.5m，高跨比為1/16；跨中截面高度為3.5m，高跨比為1/34.3；梁高采用1.8次拋物線變化。頂板厚度為0.28m，底板厚度為0.3m～1.3m，主梁采用三向預應力體系。

主梁根部0#塊單側(cè)長4m，范圍內(nèi)不設波形鋼腹板，其余節(jié)段的波形鋼腹板厚度從跨中至中墩墩頂依次為12mm、16mm、20mm、24mm和26mm五種型號。波形鋼腹板采用Q355D級鋼材，與混凝土頂板采用Twin-PBL鍵連接，與混凝土底板采用翼緣型角鋼剪力鍵連接。波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋典型斷面如圖4和圖5所示。

二、靜力特性對比分析

（一）模型建立

圖4 波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋0#塊橫斷面（單位：cm）

圖5 波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋跨中橫斷面（單位：cm）

主橋的靜力特性分析采用MIDAS Civil有限元軟件建立空間桿系模型，主梁均采用梁單元。根據(jù)施工過程及構(gòu)造需要，PC連續(xù)箱梁橋模型主梁離散劃分為131個單元，截面以程序自帶截面類型模擬；波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋模型主梁離散劃分為124個單元，無內(nèi)襯混凝土的波形鋼腹板梁段以程序自帶截面類型模擬，帶內(nèi)襯段波形鋼腹板的1號～2號梁段則將波形鋼腹板按照與混凝土的彈性模量比轉(zhuǎn)換為混凝土腹板，以純混凝土截面模擬。

圖6 全橋有限元空間桿系模型

圖7 PC連續(xù)箱梁及波形鋼腹板連續(xù)箱梁模型斷面（左）

圖8 PC連續(xù)箱梁及波形鋼腹板連續(xù)箱梁模型斷面（左）

模型邊界條件均按實際支座布置模擬，除一個中墩外，其余支座順橋向均為活動支座。每個橋墩橫向設置兩個支座，一個橫橋向固定，一個橫橋向活動。

（二）內(nèi)力對比分析

1.施工階段

PC連續(xù)箱梁和波形鋼腹板連續(xù)箱梁由于構(gòu)造上和預應力鋼束布置上的差異，其對應的施工階段也不盡相同。兩者在最不利施工階段最大雙懸臂狀態(tài)下的內(nèi)力如表1所示。

表1 最大雙懸臂狀態(tài)下內(nèi)力對比表

2.成橋狀態(tài)

PC連續(xù)箱梁和波形鋼腹板連續(xù)箱梁在成橋狀態(tài)下的內(nèi)力如表2所示。

表2 成橋狀態(tài)下內(nèi)力對比表

表3 承載能力極限狀態(tài)下內(nèi)力對比表

3.運營階段

PC連續(xù)箱梁和波形鋼腹板連續(xù)箱梁在運營階段將承受結(jié)構(gòu)重力、汽車荷載、溫度荷載和基礎變位等作用，兩者在承載能力極限狀態(tài)下的內(nèi)力如表3所示。

由表1～表3可知，兩種橋型在施工階段的內(nèi)力分布存在較大差異，這與構(gòu)造上和預應力鋼束布置上的差異有關(guān)。在成橋階段和運營階段，PC連續(xù)箱梁的彎矩和剪力總體上大于波形鋼腹板連續(xù)箱梁，這是由于波形鋼腹板代替混凝土腹板后，上部結(jié)構(gòu)自重降低，內(nèi)力也相應減小。

（三）應力對比分析

PC連續(xù)箱梁和波形鋼腹板連續(xù)箱梁截面上、下緣混凝土在正常使用極限狀態(tài)標準組合和頻遇組合下的應力如表4和表5所示。

表4 標準組合下應力對比表

表5 頻遇組合下應力對比表

由表4和表5可知，在正常使用極限狀態(tài)下，波形鋼腹板連續(xù)箱梁截面上、下緣混凝土的應力水平要普遍高于PC連續(xù)箱梁，這是由于波形鋼腹板抗壓能力較弱，應力重分布之后導致混凝土頂、底板需要承擔更大的壓應力。

（四）變形對比分析

PC連續(xù)箱梁和波形鋼腹板連續(xù)箱梁在汽車荷載作用下的豎向變形如表6所示。

表6 豎向變形對比表

由表6可知，在汽車荷載作用下，PC連續(xù)箱梁和波形鋼腹板連續(xù)箱梁的最大豎向變形相差不大，說明兩者的抗彎剛度基本相當。

（五）支反力對比分析

PC連續(xù)箱梁和波形鋼腹板連續(xù)箱梁在恒載作用下的豎向支反力如表7所示。

表7 豎向支反力對比表

由表7可知，在恒載作用下，波形鋼腹板連續(xù)箱梁的支反力均小于PC連續(xù)箱梁，其中前者的中支點反力為后者的84.9%，邊支點反力為后者的92.6%。綜合可知，波形鋼腹板連續(xù)箱梁上部結(jié)構(gòu)自重要比PC連續(xù)箱梁減輕約15%。

三、結(jié)語

大跨徑波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋在同等跨度下，能減少混凝土用量，降低上部結(jié)構(gòu)自重，提高箱梁頂、底板的預應力效率，有效避免腹板混凝土開裂的問題，不但在受力性能上優(yōu)于PC連續(xù)箱梁橋，在施工過程中也能減小掛籃規(guī)模，降低施工難度。另一方面，為了達到與PC連續(xù)箱梁橋相當?shù)目箯潉偠龋谠O計時還需要適當加高波形鋼腹板連續(xù)箱梁的截面高度。