單箱多室波紋鋼腹板PC組合箱梁橋混凝土組合段布置方式研究

梁遠森 王會龍 高夢起,2

（1．鄭州城建集團投資有限公司，河南 鄭州 450000；2．鄭州大學，河南 鄭州 450000）

21世紀以來，隨著我國波紋鋼腹板組合梁相關研究理論的日漸成熟和工程經驗的不斷累積以及設計水平的進一步創新提高，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋已逐漸開始向大跨度、幅面寬等復雜形式橋型發展。因此，為了適應市政道路等對橋面寬度的硬性需求指標，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋開始逐漸采用單箱多室的截面形式[1-5]。國內對波紋鋼腹板混凝土組合段的研究主要是單箱單室組合梁的形式，而對于單箱多室波紋鋼腹板PC組合箱梁橋的研究還非常少，其具體的受力機理和受力情況尚未完全明確。國內已建和在建的單箱多室波紋鋼腹板PC組合箱梁的混凝土組合段形式主要是在外側波紋鋼腹板的內測設置內襯混凝土，在內測波紋鋼腹板的兩側均布置混凝土組合段。

但這種組合形式同樣在工程中給施工帶來了諸多不便，如不方便搭設模板，澆筑混凝土時振搗困難、容易發生炸模等現象，因此，研究單箱多室波紋鋼腹板組合梁的組合段內襯混凝土布置形式，為工程設計、施工提供有力依據。

文章以鄭州市南三環東延線（經開第五大街—107輔道段）波紋鋼腹板PC組合箱梁橋為工程背景，研究內襯混凝土的設置方式對單箱八室波紋鋼腹板PC組合箱梁橋受力性能的影響。

1 工程概況

鄭州市南三環東延線工程（經開第五大街至107輔道），橋梁全長8 695.1 m。南三環主線為雙向6車道的高架快速路，107輔道為雙向8車道的高架快速路。南三環高架與107輔道高架相交后形成立交，第一層為南三環地面道路107輔道地面道路平交，南三環高架位于第二層，107輔道位于第三層，WN匝道和NW匝道位于第四層；其余匝道根據溝通情況布置。

工程范圍內，南三環高架西起經開第五大街（NSHK3+932.148），向東依次跨越經開第五大街、經開第六大街、經開第七大街、經開第八大街、經開第九大街、經開第十大街以及107輔道地面道路后，在高鐵前落地（NSHK6+214.548）；其中包含H、I兩條上下匝道。

該橋采用38+56+38波紋鋼腹板PC箱梁，梁高2～3.2 m，波紋鋼腹板采用1200型，為工廠加工成型。

2 有限元模擬

為了研究組合段布置形式對于波紋腹板橋梁受力的影響，采用MIDAS/FEA有限元軟件對其進行建模，對于波紋鋼腹板箱梁橋，由于頂底板是由混凝土澆筑而成，而腹板是鋼板拼接，且腹板厚度隨著梁高而發生變化，在用建模時采用兩種不同類型的單元來共同模擬波紋鋼腹板箱梁結構。這兩種單元分別是：三維實體單元和板單元。建立的有限元模型如下圖所示，考慮到模型梁高和底板均為按照Y=1.2/(25.5^2)*X^2拋物線變化，實體、鋼腹板以及預應力鋼筋均采用自動網格功能進行劃分。

混凝土頂底板采用三維實體單元來模擬，劃分實體網格時，由于該橋是變截面連續梁橋，不宜采用映射網格劃分，故采用自動網格劃分（六面體單元，具有單元數少，傳力效率高，計算精度好等優點）。該橋梁波紋鋼腹板厚度為12～16 mm，采用板單元模擬波紋鋼腹板。

通過設置兩組對比情況：（1）內測波紋鋼腹板的兩側均設置混凝土組合段。（2）所有波紋鋼腹板均單側布置混凝土組合段。

3 模擬結果

3.1 豎向位移對比

該波紋鋼腹板PC組合箱梁橋在承受體內預應力、體外預應力及自重荷載作用下，將兩種混凝土組合段布置形式的豎向位移進行模擬分析并進行對比，箱梁橋橫向截面一共分為12個測點，并分別取邊跨跨中豎向位移以及中跨跨中位移進行對比分析。

圖1 豎向位移對比曲線

通過圖1對比分析可知，在預應力作用、自重作用的情況下，雙側布置混凝土組合段以及單側布置兩種情況該橋邊跨跨中豎向位移相差很小，邊跨跨中豎向位移均在-2～-3 mm之間，中跨跨中豎向位移均在9～10 mm之間，單側布置與雙側布置情況下產生的豎向位移均在工程允許范圍之內。

3.2 豎向剪應力對比

為了更好地比較兩種情況下波紋鋼腹板受力特征，現將組合段波紋鋼腹板應力狀態單獨析取，從而進行對比如下。

圖2 剪應力對比曲線

通過圖2對比分析可知，在預應力作用、自重作用的情況下，雙側布置混凝土組合段以及單側布置兩種情況該橋邊跨橫梁支座附近剪應力相差很小，邊跨組合段處波紋鋼腹板上剪應力均在6～7 MPa之間，中跨跨中豎向位移均在10～11 MPa之間，單側布置與雙側布置情況下產生的豎向剪應力均遠低于波紋鋼腹板剪應力容許值，在工程允許范圍之內。

4 結語

通過對比分析兩種形式的波紋鋼腹板組合梁組合段布置在橋梁預應力、自重情況下的豎向位移、剪應力分布情況，認為該橋支座附近組合段波紋鋼腹板上承擔剪應力較小，兩種形式下相差不大，建議減少腹板兩側組合段布置，可適當采用單側布置形式，以減少施工工序，節約施工時間，同時，建議繼續研究組合段混凝土布置尺寸（長短、高度）等對橋梁整體撓度以及波紋鋼腹板抗剪性能的影響，發展預制裝配化波紋鋼腹板組合箱梁，加快推進我國波紋鋼腹板PC組合箱梁的推廣應用。