波形鋼腹板剛構-連續組合梁橋的設計及分析

任 慧

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

波形鋼腹板PC組合箱梁橋是一種鋼、混凝土結合的新型橋梁結構形式。這種結構以波形鋼腹板替代混凝土腹板，并采用了箱內體外預應力技術，實現了上部結構的輕型化，進而優化了下部結構設計。相對于傳統的PC箱梁橋，波形鋼腹板抗剪強度高，有效解決了傳統PC箱梁橋腹板的開裂問題，而且由于波形鋼腹板具有褶皺效應，縱向剛度較低，對頂、底板混凝土徐變、收縮產生的變形約束較小，從而提高了預應力的效率。另外由于體外預應力易于更換，方便后期維護與補強，波紋鋼腹板在施工過程中可以預先預制再裝配，減少模板和支架的使用量，施工簡便，縮短了工期。自法國于1986年建成世界上第一座波形鋼腹板箱梁橋Cognac橋以來，這種結構形式的應用越來越廣泛，尤其是在日本和法國。運寶黃河大橋初步設計概算結果比較，相同跨度的波形鋼腹板剛構-連續組合梁橋比傳統的PC箱梁橋節約成本約10%，有效實現了橋梁的經濟合理性。

1 項目概況

運城至靈寶高速公路運寶黃河大橋位于“西縱”右玉殺虎口-芮城劉堡的最南端，在芮城縣陌南鎮柳灣村附近跨越黃河進入河南，接三門峽至淅川高速公路晉豫省界至靈寶段起點。該橋全長1 690 m，由引橋、主橋、副橋3部分組成。副橋全長906 m，橋跨上部結構采用（48+9×90+48）m波型鋼腹板預應力混凝土剛構-連續組合梁橋，下部結構F1～F3、F8～F11號墩采用空心墩，F4～F7號墩采用雙薄壁墩，橋梁分左右幅，橋面凈寬2×14.5 m，設計防洪標準為300年一遇洪水，地震基本加速度0.182g。副橋立面布置見圖1。

圖1 副橋立面布置圖(單位：m)

2 結構設計

2.1 主梁結構設計

運寶黃河特大橋副橋上部結構采用單箱單室波紋剛腹板預應力混凝土箱梁，主梁采用C55混凝土，箱梁頂板橫坡與路線橫坡一致，底板水平。支點高跨比為0.061，跨中高跨比為0.03。箱梁頂寬15.5 m，底寬8.5 m，懸臂長3.5 m。合攏段處箱梁中心高度為2.7 m，頂板厚0.32 m、底板厚0.3 m；0號塊中心高度為5.5 m，頂板厚1.2 m，底板厚為1.2 m；從懸臂端到0號塊根部箱梁高度及底板厚度均按照1.8次拋物線變化。主梁跨中斷面見圖2。

圖2 主梁跨中斷面圖(單位：cm)

2.2 波形鋼腹板的設計

運寶黃河橋副橋波形鋼腹板的長度為1 600 mm、3 200 mm、4 800 mm三種規格，根據腹板承擔剪力大小波形鋼腹板采用14 mm與16 mm兩種厚度的鋼板，圖3所示為14 mm厚波形板構造圖，采用直板段與斜板段同寬，波高220 mm。上翼緣板和托底鋼板采用Q345qDNH耐候鋼板，其他連接鋼板均采用Q345鋼板。波形鋼腹板縱向連接采用貼角焊，縱向臨時連接采用M22高強螺栓；混凝土與鋼腹板接觸部分采用焊釘連接，焊釘采用直徑為22的圓柱頭焊釘。

圖3 波形鋼腹板構造圖(單位：mm)

2.3 波紋鋼腹板與混凝土頂底板的剪力連接鍵設計

在波形鋼腹板PC組合箱梁橋的設計中，最關鍵的環節是怎樣有效處理波形鋼腹板與頂底板混凝土的連接，它直接關系到整個橋梁結構的承載能力。波形鋼腹板與混凝土的結合設計必須考慮兩種材料的協同工作，即鋼與混凝土之間的縱向水平剪力能否得到有效控制，不發生相對滑移或剪切連接破壞。組合結構中剪力鍵使用最多的是栓釘，而目前最有應用前景的剪力鍵是開孔鋼板連接件，即PBL剪力鍵。本設計頂板采用Twin-PBL抗剪連接件，這種連接件與栓釘相比，抗剪強度較高，承載力大，延性較好；底板在采用焊釘連接的基礎上設置了托底鋼板及綴板，更有效地加強了波形鋼腹板與底板的連接。

圖4 頂板連接構造示意

圖5 底板連接構造示意

2.4 主梁預應力設計

主梁預應力的設計理念是恒載主要由體內預應力承擔，橋梁運營過程中的活載主要由體外預應力承擔。運寶黃河橋的主梁按三向預應力設計，縱向預應力采用φs15.2-15、φs15.2-19和 φs15.2-21三種規格的鋼絞線，塑料波紋管成孔，除邊跨底板鋼束采用單端張拉外，其余鋼束均采用兩端張拉；橫向預應力采用φs15.2-2的鋼絞線，鍍鋅金屬波紋管成孔，橫向預應力鋼絞線張拉端錨具與固定端錨具交錯布置；豎向預應力采用無黏結預應力鋼棒，護套采用原料為高密度聚乙烯樹脂，單支單端張拉。體外預應力束索體采用環氧涂層鋼絞線生產的成品索，錨具采用相應規范的夾片式錨具，錨具應滿足整體換索及調整張拉力的要求，轉向器及預埋保護套采用由廠家采用無縫鋼管加工而成與體外束相配套的集束式轉向器，體外預應力鋼筋的張拉控制應力不宜超過0.6 fpk，且不應小于0.4 fpk，體外預應力束在全橋合攏后張拉，張拉順序由邊跨向中跨依次對稱進行，張拉時要左右對稱。

2.5 下部結構設計

下部結構F1～F3號、F8～F11號墩采用空心墩，壁厚0.6 m，F4～F7號墩采用雙薄壁墩，壁厚1.5 m，凈間距2.5 m，墩高介于 32.6～36.8 m，為調整各主墩抗推剛度，F4～F7號墩采用墩梁固結，F1～F3號、F8～F11號墩采用放置支座。

3 結構分析計算

3.1 模型建立

由已建的波形鋼腹板PC組合箱梁橋的資料來看，這種橋梁在立面布置上與混凝土箱梁橋大致相同。根據已建橋梁，與混凝土箱梁橋相比，墩頂上的高跨比相差不大，而跨中高跨比相差就比較大。該設計支點梁高與跨度之比為1/16.4；跨中梁高與跨度之比為1/33.3，設計取值較為合理。橋梁寬跨比小于0.5時，可用單梁模型進行計算，運寶黃河橋副橋采用Midas Civil建立全橋模型計算。主梁按全預應力構件設計。由于波形鋼腹板在縱向的褶皺效應，對縱向力幾乎不產生抵抗作用，計算時主梁僅考慮混凝土頂底板的有效截面進行截面特性的計算。副橋全橋模型見圖6。

圖6 全橋模型

3.2 波形鋼腹板的設計

根據橋梁整體布置及箱梁截面變化特性確定鋼腹板高度后，根據抗剪強度計算鋼板厚度。計算采用式（1）：

式中：SW為腹板豎向剪力；AW為腹板截面積；τws為腹板平均剪應力；τα為鋼材的容許剪應力。

由局部屈曲強度界限圖(圖7)確定最大波折段長度，由整體屈曲強度界限圖(圖8)確定波高。并根據上述確定的幾何參數驗算波形鋼腹板的合成屈曲強度[1]。

本設計中根據整體橋跨布置，波形鋼腹板高度取值h=1 841～4 503 mm，波形鋼板波折段最大寬度a=430 mm，波高d=220 mm，根據計算跨中及支點的不同梁段承受的剪力不同，波形鋼板厚度采用t=14～16 mm，經驗算取值在局部屈曲界限圖及整體屈曲界限圖適用范圍內，計算滿足相關規范要求。

圖7 Q345局部屈曲界限圖

圖8 Q345整體屈曲界限圖

3.3 橫隔板設置

與傳統的預應力混凝土箱梁相比，波形鋼腹板面外方向的剛度相對較小。因此，有必要在適當的間隔范圍內設置橫隔板以提高橋梁的橫向剛度。如果箱梁不設中橫隔板，在荷載作用下會產生明顯的畸變變形，隨著橫隔板的增多，畸變產生的豎向位移也明顯減小，最初增加的橫隔板對畸變變形的抑制作用最為明顯，再增加中隔板板數，這種減小的趨勢逐漸減弱。因此，在不過多增加自重的前提下，合理地設置橫隔板，可以將畸變變形控制在一定的范圍內，這樣在箱梁的設計中就可以忽略畸變效應對結構的影響，達到簡化設計計算的目的。本設計在考慮提高抗扭剛度的同時還要滿足體外束轉向裝置的設置，主梁縱向每跨設置4道橫隔板，隔板間距約為14～16 m。

3.4 上部結構靜力計算結果

參考河南省地方標準《公路波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋設計規范》，在正常使用狀態下，波形鋼腹板PC箱梁橋不允許混凝土開裂。波形鋼腹板PC箱梁的混凝土頂底板抗裂驗算按規范JTG D62—2004中6.3條的規定進行。波形鋼腹板PC箱梁的應力驗算按規范JTG D62—2004中7.1條的規定進行。

由計算結果得正常使用階段在短期效應組合下+80%有效預應力作用下，主梁上、下緣未產生拉應力，滿足規范要求。

由計算結果得正常使用階段標準值組合作用下，主梁上、下緣最大壓應力為13.92 MPa，小于限值0.5 fck=17.75 MPa，滿足規范要求。

使用階段荷載短期效應組合下主梁撓度值為75.9 mm，考慮荷載長期效應的影響，乘以撓度長期增長系數1.4，撓度值為106.3 mm，消除結構自重產生的長期撓度后主梁的最大撓度小于撓度限值90 000/600=150 mm，滿足規范要求。

3.5 主墩計算及截面選擇

大跨剛構橋減少了大型橋梁支座和養護上的麻煩，但由于橋墩與主梁采用墩梁固結，由于主梁溫度、收縮徐變作用，橋墩會承受上部結構產生的水平力，結構設計中一方面要考慮主梁受力合理，另一方面還要考慮墩身在整體結構中的受力合理性。薄壁式墩身由于抗推剛度小，可以有效降低其分配的水平推理，但是隨著橋墩距離主梁順橋向水平位移變形零點的距離不斷增大，墩身承受的內力將迅速增大，墩身采取常規配筋的情況下驗算無法通過[2]。因此釋放部分邊墩的墩梁固結效應，選用剛構-連續組合梁橋可以在兩者中間取平衡。經計算副橋F4～F7橋墩采用墩梁固結，其余橋墩采用放置支座，既可最大限度地避免使用支座，又可以使橋墩驗算順利通過，達到兩者的有效平衡。

4 結語

本文依托運寶黃河特大橋副橋（48+9×90+48）m波形鋼腹板預應力混凝土剛構-連續組合梁橋的工程背景對波形鋼腹板PC箱梁橋的設計進行了分析。波形鋼腹板PC箱梁橋能合理利用鋼與混凝土兩種材料，發揮混凝土抗彎、波形鋼腹板抗剪的優勢，結構受力相對普通混凝土箱梁橋更加合理。在波形鋼腹板PC箱梁橋的設計中，確定合理的高跨比，選用合理的波形鋼腹板形狀及與頂底板混凝土的連接方式，是波形鋼腹板PC箱梁橋設計中的關鍵。