波形鋼腹板PC橋結構設計探討

肖海波，朱越峰

（1.寧波市城建設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.湖州市安吉縣交通運輸局，浙江 湖州 313300）

波形鋼腹板PC橋結構設計探討

肖海波1，朱越峰2

（1.寧波市城建設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.湖州市安吉縣交通運輸局，浙江 湖州 313300）

介紹了波形鋼腹板PC箱梁橋的受力特點，對波形鋼腹板橋的結構設計要點進行了綜述，并結合某工程實例，對波形鋼腹板PC箱梁橋的力學特性進行了分析，可為同類型橋梁的設計提供參考。

波形鋼腹板；箱梁橋；力學特性

1　概述

預應力混凝土箱形梁的抗彎、抗扭剛度大，常用于中大跨度橋梁。但為了滿足預應力孔道布置的需要，箱梁腹板一般較厚，使得腹板的面積達整個截面面積的20%～30%，增加了結構自重；并且腹板內的主拉應力易導致混凝土腹板開裂，影響結構強度和耐久性。

隨著鋼束防腐技術的提高和體外預應力鋼束在橋梁工程中的應用，1986年法國首先建造了世界上第一座波形鋼腹板PC橋梁，用波形鋼腹板代替混凝土腹板形成鋼-混組合結構。這種結構與一般的PC箱梁相比具有如下幾個優(yōu)點：

（1）自重減輕20%～30%；

（2）波形鋼腹板在橋軸方向的剛度很小，不會約束預應力，提高了上下翼板的預應力效果；

（3）鋼腹板具有比較高的抗剪失穩(wěn)強度，不需要附加加勁肋，簡化了設計和施工。

近年來，波形鋼腹板PC梁橋在國內也得到了一定程度的運用，因此總結這類橋梁的設計技術變得十分重要。根據國內外橋梁的設計經驗，并結合相關規(guī)范，本文將論述波形鋼腹板PC梁橋的設計要求和構造措施。并結合某工程實例，分析該類型橋梁的力學特性。

2　波形鋼腹板橋梁設計要點［1-4］

2.1設計理論

由于波形鋼腹板的縱向有效彈性模量十分小，波形鋼腹板箱梁可以采用忽略腹板抵抗軸力和彎矩作用的修正梁理論計算。圖1為這種梁單元的計算截面，彎曲變形計算基于如下的基本假定：

（1）波形鋼腹板的縱向變形剛度忽略，只考慮剪切剛度；

（2）頂板和底板的變形滿足平截面假定；

（3）截面的撓曲變形一致，忽略泊松比。

根據上述假定，頂板和底板的撓曲角位移為：

式中：x為梁軸的坐標；w為梁的撓度，頂板、底板的撓度相等。

圖1　波形鋼腹板計算假定

頂板和底板的縱向位移為：

式中：u1、u2分別為頂板和底板的縱向位移；r1、r2為截面中心軸至頂板中心和底板中心的距離。單元剛度方程根據上述截面的位移函數以及虛功原理計算得到。

2.2截面形式

與混凝土腹板箱梁相比，由于波形鋼腹板對扭轉、畸變的翹曲剛度貢獻很小，使得扭轉和畸變

圖2　波形鋼腹板PC箱梁結構形式

根據過去的已建橋梁實例，波形鋼腹板箱梁的梁高與一般預應力混凝土箱梁相比略高，這是因為增加梁高對結構自重的影響很小，但可以改善結構的力學特性。

2.3波形鋼腹板的形狀

波紋鋼腹板主要由直、斜板組成，為了滿足受力的合理性，兩種板段間采用圓弧段過度，鋼板采用冷加工制造，圓弧段的內徑過小容易引起疲勞，因此要求內徑不應小于5倍的鋼板厚度。具體構造見圖3。圖3中d為波高，t為鋼板厚度。

圖3　波形鋼腹板形狀

鋼腹板主要承受剪切力，抗剪能力是確定鋼腹板設計的重要內容?？辜裟芰︱炈惆ǎ杭羟袕姸?、剪切局部失穩(wěn)、剪切整體失穩(wěn)和耦合失穩(wěn)等幾個方面。

局部剪切失穩(wěn)計算是以兩個折線之間的板帶作為對象，彈性穩(wěn)定剪切應力為：

考慮塑性影響的失穩(wěn)強度曲線為

式中：k=4.0+5.34/α2，α=a/hα≤h

而簡支鋼板的彈性整體剪切失穩(wěn)強度為：

考慮塑性影響的失穩(wěn)強度曲線為：

通常設計時，鋼腹板的形狀除了必須滿足受力需要外，還應參照同類工程的設計經驗。表1列出了部分已建橋梁的鋼腹板尺寸。

表1　已建工程鋼腹板尺寸

2.4波形鋼腹板與混凝土之間的接合

波形鋼腹板與混凝土頂底板的接合件是兩者共同工作的基礎，它主要用來抵抗兩者接觸面之間的縱向剪應力，防止兩者之間產生相對滑移?？辜暨B接件關系到橋梁的承載能力，所以它是設計中一個關鍵的部分。目前國內外實橋中常用的抗剪連接件主要有四種，見圖4。

圖4　波形鋼腹板與頂、底板之間的結合形式

日本1998年建成的本谷橋以及我國的潑河橋采用了如圖4（d）形式的抗剪連接件，日本在2002年建成的中野高架橋中采用了圖4（c）類型的抗剪連接件。

3　工程實例

這里以寧波某波形鋼腹板PC梁橋為例說明該類型橋梁的力學特性，橋梁結構尺寸見圖5。由于梁高比較低，按波形鋼腹板設計在跨中截面附近很難能滿足抗剪強度需要，因此僅在橋墩兩側各10 m的范圍內采用波形鋼腹板。

圖5　波形鋼腹板PC梁橋結構（單位：m）

采用M IDAS軟件進行了橋梁計算分析，全橋沿縱向劃分了56個梁單元。

實際的設計荷載工況比較復雜，為了簡化起見，這里簡單地取自重和活載進行計算，其中自重根據截面的信息計算，集中活載布置在跨中，荷載值為150 kN，滿布分布活荷載值為10 kN/m。

圖6為中跨最大撓曲線分布，計算結果表明，考慮或不考慮剪切變形得到的撓度結果相差很大。產生這種現(xiàn)象的主要原因是因為按梁理論計算時，剪切力主要依靠腹板承擔，而鋼腹板由于截面積小、抗剪剛度低，導致了兩種計算方法得到的結果相差很大，因此，波形鋼腹板梁理論的計算精度有待于提高。

圖6　中跨跨中最大撓曲變形

圖7　箱梁正應變分布

4　結語

總結了波形鋼腹板PC梁橋的結構設計要點，為同類型橋梁的設計提供參考。并通過對某波形鋼腹板箱梁橋的計算，對該類結構的受力特性有了一定認識，波形鋼腹板箱梁計算理論有待進一參考文獻：

［1］吳文清，葉見曙，萬水，等.波形鋼腹板—混凝土組合箱梁截面變形的擬平截面假定及其應用［J］.工程力學，2005，22（5）:177-180.

［2］吳文清，萬水，葉見曙，等.波形鋼腹板組合箱梁橋剪力滯效應的空間有限元分析［J］.土木工程學報，2004，39（9）:31-36.

［3］李宏江，葉見曙，萬水，等.波形鋼腹板預應力混凝土箱梁 的試驗研究［J］.中國公路學報，2004，17（4）:31-36.

［4］朱越峰.波形鋼腹板箱梁橋受力特性分析和計算方法研究［D］.浙江杭州:浙江大學，2007.

U443.3

A

1009-7716（2016）09-0129-03

2016-05-25

肖海波（1978-），男，湖南常德人，高級工程師，從事橋梁設計工作。產生的縱向翹曲應力的比例大大增加。為了控制縱向翹曲應力，設計時應該布置一定數量的橫隔板（見圖2），提高截面的抗扭和抗畸變剛度。