波形鋼腹板組合箱梁橋的特點與設計分析

王 彩 花

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

0 引言

經調查統計分析，我國已建成的公路及城市橋梁中，由于設計理念及結構技術發展的階段性，絕大多數的中小型橋梁采用了預應力混凝土橋；然而由于先天缺陷、后天病害及汽車超載等最不利外力組合等綜合因素的影響，預應力混凝土梁橋普遍存在著混凝土腹板開裂、梁體混凝土開裂、跨中撓度增大等病害，不同程度地給橋梁的安全運營與耐久性方面帶來了隱患。隨著國內新建中大型橋梁的浪潮，新型橋梁結構形式及設計理念和技術不斷涌現。

波形鋼腹板組合箱梁橋是一種將較厚的混凝土腹板由薄波形鋼腹板替代的新型鋼—混組合結構橋梁形式，具有自重輕、便于裝配施工、造價低、耐久性好和全壽命經濟效益高、低碳節能等眾多優點，是一種符合可持續發展理念的新型橋梁結構形式。該設計思想最先由法國學者于1975年提出，并于1986年建成首座該類橋梁。我國從2005年建成了國內的第一座波形鋼腹板組合梁橋之后，也開始了對此類橋梁的研究，逐漸引起了廣大橋梁工程師的重視，進而在國內逐步展開推廣和應用。本文主要是結合波形鋼腹板箱梁橋的特點對南沙河主橋采用該新橋型進行設計，總結心得體會，便于提升今后設計同類橋型結構的水平。

1 波形鋼腹板組合箱梁橋的結構組成及優缺點[1,2]

1.1 波形鋼腹板組合箱梁橋的結構組成

波形鋼腹板組合箱梁橋主要是由混凝土頂底板、波形鋼腹板、不同部位的連接件和預應力束四大部分組成。

基于波形鋼腹板內沒有空間布置體內預應力彎起鋼束，所以用體外鋼束來代替部分或全部體內鋼束，通過轉向塊實現彎起。

波形鋼腹板主要是由直板段、斜板段以及圓弧段組成。波形鋼腹板的設計不僅要滿足力學方面的要求，還需兼顧制作、施工、美觀及經濟等方面的因素。

波形鋼腹板組合箱梁橋的連接部位主要體現在如下節點：切割成塊的波形鋼腹板節段之間的接頭，就施工而言，需要從工廠預制然后運輸到施工現場通過連接進行拼裝；保證結構整體受力共同工作的鋼腹板與混凝土板間的連接主要用于克服兩者間的縱向剪力，防止兩者之間產生相對滑移，是此類橋梁設計的關鍵環節；波形鋼腹板與橫隔梁板和內襯混凝土之間的接合部主要是用來傳遞豎向剪力，確保波形鋼腹板所受到的剪力可以有效傳遞到下部結構。

1.2 波形鋼腹板組合箱梁橋的結構優缺點

1)當由薄鋼腹板取代了相對較厚的混凝土腹板之后，結構自重大為減輕，地震激勵作用效果顯著降低，抗震性能較好；同時減少了混凝土、預應力鋼材、鋼筋用量，使下部結構的工程量減少，從而降低工程造價，改善了經濟指標。

2)由于該結構的混凝土集中在箱梁頂、底板，回轉半徑增加，斷面結構效率得到提高；另外鑒于波形鋼腹板的褶皺效應，縱向剛度較小，體內束集中布置在箱梁頂底板內，進而提高了預應力效率。

3)當傳統的預應力混凝土箱梁受混凝土收縮、徐變、運營環境及最不利外力組合等綜合因素影響后，混凝土腹板會出現裂縫，引發鋼筋腐蝕等病害，從而影響結構耐久性，嚴重會降低結構的安全性；而波形鋼腹板組合箱梁橋則會避免上述問題出現。

4)在波形鋼腹板組合箱梁橋設計中，主要分別考慮混凝土的抗彎剛度和波形鋼腹板的抗剪剛度，且鋼腹板內的剪應力近似于均布分布，有利于不同材料發揮各自優勢。

5)體外束的應用為波形鋼腹板組合箱梁橋的另一特點，這樣即便體外束在后期運營中出現磨損或斷裂時，也可以在不間斷交通的情況下及時進行更換，提高了結構的耐久性。

6)在施工過程中，波形鋼腹板一般采用工廠化生產，現場拼裝施工，不僅減少模板支架量和混凝土的澆筑量，另外波形鋼腹板同時能作為施工掛籃、導梁等承重構件，從而簡化施工設施，加快了施工進程。

7)從立面觀看，波形鋼腹板的褶皺給人一種簡潔直觀的立體感，提升了橋梁的美感。

8)由于該新型結構截面的抗扭剛度和抗畸變剛度降低；使得波形鋼腹板的屈曲破壞相比更傾向于脆性化。

9)由于波形鋼腹板的制作工藝不成熟，導致其制作成本較高，經濟性能有待提高。

10)波形鋼腹板有較多的拐角，容易滯留泥沙等雜質，易受腐蝕；因此防腐也成為后期維修養護的管理成本問題。

2 工程實例設計

2.1 工程概況

凱旋路工程設計南起塢城東街，北至凱旋街，全長約8.66 km。南沙河主線橋橋梁全長458 m。主線橋平面位于圓緩和組合曲線上，最小圓曲線半徑為350 m，主線橋墩高度為6 m～20 m之間，綜合考慮橋梁結構的動力性能、低碳建筑概念、經濟型與景觀性和施工過程；最終選定上部結構采用波形鋼腹板組合箱梁，共三聯，跨徑組合為(35+40+40+35)+(40+40+40+35.5)+(32.5+40+40+40)m。其中以第一聯結構為主進行設計分析。

2.2 波形鋼腹板組合箱梁的設計要點

如圖1所示箱梁采用單箱三室斜腹板斷面，梁高2.5 m，頂底板厚0.25 m～0.45 m，懸挑長度為1.5 m，端部厚0.2 m，根部厚0.5 m，采用C55 混凝土；波形鋼腹板采用1600型，厚度為18 mm，16 mm，14 mm，12 mm 4種型號的Q345D鋼材。

箱梁頂板采用T-PBL方式與波形鋼板連接，箱梁底板采用S-PBL+焊釘方式與波形鋼板連接；波形鋼腹板節段間縱向連接采用M22的高強螺栓進行定位，后進行貼角焊接。

每跨橋梁均設置三道橫隔板(不計端、中橫梁)，橫隔板厚0.35 m，間距約為10 m，波形鋼腹板與橫隔板通過栓釘連接；與端、中橫梁采用埋入式連接方式。

由于跨徑不太大，通過建模分析僅在主梁的頂底板內布置體內束可以滿足計算要求，因此該橋沒有布置預應力體外束。

3 結構設計分析[4,5]

計算時采用MIDAS Civil軟件對橋梁建立模型進行結構驗算。在進行縱向抗彎計算時主梁截面的EA 和EI 只考慮混凝土頂、底板的作用，忽略波紋鋼腹板對EA 和EI的貢獻。在進行鋼腹板計算時截面只考慮波紋鋼腹板的抗剪作用，忽略混凝土頂、底板的作用。

持久狀況承載能力極限狀態的驗算：第一聯第二跨(40 m)跨中和交接墩支點處的承載力設計彎矩最大值分別為106 925.4 kN·m和-109 871.2 kN·m；而與之對應的最不利組合彎矩最大值分別為99 951.54 kN·m和-68 755.1 kN·m。

正常使用極限狀態的驗算：按A類預應力混凝土構件進設計，持久狀況在作用效應頻遇組合下，箱梁各跨跨中底板和支點頂板均沒有出現拉應力；持久狀況在作用效應標準值組合下，壓區混凝土的最大法向壓應力為15.99 MPa，規范容許值為17.75 MPa；拉區預應力筋的最大拉應力為1 176.9 MPa，規范容許值為1 209 MPa。施工階段主梁正截面最大壓應力為11.4 MPa，規范容許值為24.85 MPa；最大拉應力為0.01 MPa，規范容許值為1.918 MPa。波形鋼腹板最大剪應力約為85 MPa，規范容許值最小為113 MPa。結構受力均滿足要求。

同時由計算結果可知整體屈服臨界應力出現于主梁根部鋼腹板最高部位，大于整體屈曲臨界應力和強度屈服強度，因此可以認為波形鋼腹板在進入強度之前不會發生整體屈曲，結構受力是安全的。

此外考慮荷載長期效應的影響，使用階段邊跨和中跨跨中的長期撓度值分別為8.5 mm和15.2 mm，均小于規范規定的容許值58.3 mm和66.7 mm，滿足規范要求。

4 優化和改善建議

通過對南沙河主橋的實例設計分析與研究，對此類新型結構的未來應用中提出如下的建議：

1)確定波形鋼腹板組合箱梁的橫斷面形狀，應綜合考慮抗彎、抗扭、抗畸變剛度的影響，并兼顧橋面寬度、連接構造、橋面板受力及下部與基礎構造及經濟指標和施工方案等因素的影響。

2)應充分利用此類新型結構上部結構自重較輕、抗震性能較好的優勢，采用常規抗震性支座，通過優化橋梁下部結構設計，以提高其經濟性。

3)從上述計算結果看，主梁應力安全系數偏保守，預應力配置還有優化空間，同時應該增設預應力體外束，減少體內束的布置，更加優化主梁的設計。

4)從上述計算結果看，波形鋼腹板抗剪承載力驗算及鋼腹板與混凝土頂、底板的連接驗算安全系數稍大，可以通過優化主梁截面和鋼板厚度及連接剪力鍵類型或構造形式，來改善經濟指標。

5)南沙河主線橋位于組合曲線上，為保證較大的抗扭、抗畸變剛度和體外束、轉向塊的需要，應該對端、中橫梁，橫隔板構造和間距，進行進一步的研究。

5 結語

波形鋼腹板組合箱梁橋作為一種新型的組合結構，通過充分發揮不同建筑材料的優勢，克服傳統預應力混凝土箱梁橋不可避免的缺點，逐漸地吸引了不斷創新的橋梁工程師。南沙河主線橋是對此類新型結構的又一次應用，通過對該工程實例的初擬、分析研究、反復修改到完善設計成果，使得對波形鋼腹板組合箱梁橋結構的認識又提升了一個新的臺階，可為將來類似工程的應用提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1] 蔡千典，冉一元.波形鋼腹板預應力結合箱梁結構特點的探討[J].橋梁建設，1994(1)：33-34.

[2] 陳寶春，黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應用綜述[J].公路,2005(7)：45-53.

[3] JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規范[S].

[4] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5] 任紅偉，陳海波，宋建永.波形鋼腹板預應力組合箱梁橋的設計計算分析[J].公路,2008，25(8):22-25.