波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋的設計與施工

劉紅科

(山西誠達公路勘察設計有限公司，山西太原 030006)

1986年，法國工程師最先采用波形鋼板代替原有的混凝土或鋼的直腹板，建成跨度為31m+43m+31m的波形鋼腹板組合箱梁橋，從而出現了波形鋼腹板的概念。對傳統的預應力混凝土箱梁，采用10mm左右厚的波形鋼板替代原始的混凝土腹板，同時應用體外預應力鋼索，從而形成波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁。

波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁具有獨特的受力優勢［1］。在材料用量方面，波形鋼腹板的采用大幅度減輕了上部結構的自重，減少了混凝土、預應力鋼材、鋼筋用量，并使下部結構的工程量獲得減少，從而降低了工程總造價;在材料利用率方面，將鋼和混凝土兩種材料結合使用，提高了材料利用率，也有效地提高預應力效率;在抗震性能方面，減輕了橋梁自重，提高了抗震性能;在施工制造方面，由于減輕自重而減少了節段數量，縮短了工期，體外預應力束的布置避免了在混凝土腹板內預埋管道的繁雜工藝，加快了施工進程;在后期維護方面，體外預應力索可能會出現一些損傷(如磨損或斷裂)，可以在夜間停止車輛通行后對其進行更換，便于橋梁的維修和補強;在結構耐久性方面，波形鋼腹板的采用避免了混凝土板收縮、徐變引起的次內力，避免了傳統混凝土腹板的開裂、鋼筋腐蝕等問題，也減少了由此引起的預應力損失，提高了結構的耐久性。鑒于波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋的諸多優點，世界各國的研究人員對波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋的抗彎性能、抗扭、抗剪和穩定性展開了研究。波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋在橋梁工程中的應用也越來越廣，如法國建造的世界上第一座波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋——Cognac橋、德國的 Altwipfergrund橋、挪威的 Tronko橋、委內瑞拉的Caracas橋和日本的矢作川斜拉橋等，見圖1［2］。

迄今為止，我國也對波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋展開了研究工作，并修建了若干波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋，如東南大學設計的江蘇淮安的長征人行橋，該橋為18.5m+30.5m+18.5m的3跨連續梁，采用支架現澆施工建設而成;由河南省交通規劃勘察設計院設計的衛河大橋，該橋為47m+52m+47m的現澆預應力混凝土波形鋼腹板組合箱梁，橫截面為單箱三室;由河南海威工程咨詢有限公司設計的鄄城黃河公路大橋，該橋為(70+11×120+70)m變截面波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋，采用懸臂施工方法進行施工。

為了波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋的合理設計及建設，針對波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋結構特色的設計分析及施工制造要點探討是必不可少的。

1 波形鋼腹板預應力混凝土梁橋的設計分析

波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋的總體受力與預應力混凝土箱梁類似，故總體設計計算可用通用橋梁設計軟件完成。從國內外已建成的波形鋼腹板箱梁橋來看，無論是結構形式、預應力體系，還是施工工藝，波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋都有其獨到之處(見圖2)。

首先，關于波形鋼腹板的剪切屈服、剪切屈曲問題，我國現有橋梁設計通用軟件無此項內容，故需參考其他有關規范、標準另行計算。波形鋼腹板在縱向由于折皺效應，其縱向抗拉壓剛度小，故可以認為波形鋼腹板不承受軸向力。在設計時，近似認為抗彎慣矩計算可僅考慮混凝土頂、底板，而剪力則完全由鋼腹板承擔。波形鋼腹板主要作用在于抗剪，故波形鋼腹板的厚度與形狀取決于抗剪強度與剪切屈曲穩定性的需要。

其次，波形鋼腹板預應力混凝土箱梁通常采用體內、體外預應力索并用的方式［3］。通常，在混凝土頂板、底板中配置縱向預應力筋，用以抵抗施工時的荷載及自重。在箱內配置體外預應力束，通過轉向塊來轉向并最終錨固在橫隔板上，實現曲線或折線配筋，以體外索來承擔外荷載的作用。

最后，波形鋼腹板節段之間的連接也是設計要點之一，關于鋼板與混凝土頂、底板的連接屬鋼—混凝土組合結構設計內容。鋼板與混凝土頂、底板的連接設計必須考慮到鋼材和混凝土材料之間發生的縱向水平剪力能否得到有效控制。通常，波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接有三種方式:1)把腹板上下端焊接翼緣板并配置連接件，如鋼板上焊接剪力釘，再與混凝土板結合在一起;2)將腹板直接伸入到混凝土翼板中埋入式連接，即在波形鋼板上打孔，穿過鋼筋，將縱向鋼筋埋入混凝土;3)由以上兩種連接件組合而成的復合型連接件。

2 施工制造特點

波形鋼腹板預應力混凝土箱梁最基本的施工方法是采用掛籃懸拼，隨著技術的進步，目前在波形鋼腹板預應力混凝土箱梁施工中利用波形鋼腹板作施工受力構件，提出了所謂的Rap.con/RW施工法和利用波形鋼腹板作導梁的頂推施工法。傳統掛籃懸拼施工法僅限n節段波形板安裝、立模、配筋、混凝土澆筑、預應力均在n節段進行，施工作業面受限，周期長。此時，掛籃較重，施工節段重量較小，力臂較大，波形板不承擔施工荷載。Rap.con/RW施工法作業區擴大到n－1，n，n+1三個節段，n+1節段波形板安裝、n節段底板施工、n－1節段頂板施工，三個作業面流水施工。此時，掛籃較輕，施工重量較大，力臂較小，波形板承受施工荷載。

波形鋼腹板的波形尺寸的選擇需要考慮加工、運輸、安裝等因素，節段施工時亦要考慮節段長度、腹板厚度的變化及節段間的連接等因素。波形鋼腹板的制作工藝主要有沖壓法和模壓法。沖壓法的壓制設備費用較低，但由于板材需多次反折移動，對厚、重的大板受到制作難度的限制，壓波作業效率低。采用模壓法進行波形鋼腹板制作時，可以縮短壓制一個波長的時間。

3 結語

本文主要針對波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋，總結了其獨特的受力優勢和工程應用情況，分析了波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋獨特的設計要點與施工關鍵技術。本文從波形鋼腹板設計、體內與體外預應力索布置、鋼腹板與混凝土板連接方式三方面分析了波形鋼腹板預應力混凝土箱形梁橋獨特的設計要點。目前，在波形鋼腹板預應力混凝土箱梁施工中利用波形鋼腹板作施工受力構件的掛籃懸拼法和利用波形鋼腹板作導梁的頂推施工法，波形鋼腹板的典型制作工藝包括沖壓法和模壓法。

［1］劉玉擎.組合結構橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］萬 水，蔣正國，孟文節.波形鋼腹板 PC箱梁橋的結構特點與施工［A］.第十五屆全國結構工程學術會議論文集［C］.2006.

［3］朱長勝，蘇燦旭.波形鋼腹板PC組合箱梁在玉春橋中的應用研究［J］.山西建筑，2012，38(11):163-164.

［4］楊 明，孫 筠，張樹仁，等.波紋鋼腹板體外預應力箱梁橋的發展與展望［J］.公路交通科技，2006(12):8-10.