大跨徑波形鋼腹板剛構橋設計研究

何 光

（山東省濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

波形鋼腹板PC組合箱梁是用波折形薄鋼板代替箱梁混凝土腹板形成的一種新型鋼-混組合結構，它可以大幅度減輕箱梁的自重，減少下部結構的工程量，從而降低造價，實現橋梁的輕型化。波形鋼腹板的手風琴效應讓波形鋼腹板不承受縱向拉、壓力，縱向彎曲計算中可不計入腹板的影響，導致波形鋼腹板PC 箱梁橋剛度較一般PC箱梁要小，波形鋼腹板PC箱梁抗彎剛度約為一般PC箱梁的90%，扭轉剛度約為40%，剪切剛度約為10%。工程實踐證明，波形鋼腹板預應力混凝土箱梁能夠改善梁根部混凝土腹板開裂、跨中部持續下撓等問題。國內外對波形鋼腹板PC組合箱梁結構力學特性的研究主要集中在抗彎、抗扭、抗剪和結構定性幾方面。由于鋼腹板主要承受剪力，因此應重點研究腹板的剪切穩定性。本文則主要對大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁的整體縱向彎曲、腹板剪切以及腹板的連接進行研究。

1 國內外大跨徑連續梁橋建設情況

目前，國外已建成主跨100m 以上的波形鋼腹板連續梁或連續剛構橋有很多（見表1），日本的下田橋是最大跨徑波形鋼腹板連續梁橋，主跨達136.5m[1]。

表1 國外已建成主跨100m以上的波形鋼腹板連續梁或連續剛構橋

表2 整體縱向彎曲分析結果

我國已建成的波形鋼腹板橋梁有長征橋（3跨連續梁18.5m＋30m＋18.5m），潑河大橋（4 跨連續梁30m＋30m＋30m＋30m），大堰河橋（單跨簡支梁橋，23.7m）。

國內正在建造的大跨徑波形鋼腹板梁橋有鄄城黃河公路大橋（主橋為70m＋11×120m＋70m 的波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁橋）和深圳南山大橋（跨徑布置為80m+130m+80m的連續剛構橋）。

2 案例橋梁概況

案例大跨徑波形鋼腹板剛構橋，起訖里程樁號為：K31+979~K32+803，共20 墩、兩臺21 跨，每跨30~40m，橋長824m，橋面寬24.5m。橋面設計高程：333.98~345.24m，設計縱坡1.56%。上部構造：主橋采用84+2×140+84波形鋼腹板連續剛構，下部橋墩采用帶橫梁雙薄壁墩；引橋采用預應力混凝土T梁；下部構造：墩及基礎采用柱式墩、樁基，臺及基礎采用“U”型臺和埋置式輕型橋臺，擴大基礎和樁基礎。四車道高速公路，橋梁寬度為2×11.00m（行車道）+2×0.5m（防撞護欄）+0.5m（分隔帶）=24.5m，設計車速80km/h，荷載標準：公路I級，地震動峰值加速度0.05g，反映譜特征周期0.35s。

橋位區地形總體上兩橋臺高，中間低，南川臺位于一走向95°的山脊近頂部，地面坡角20°~45°，在坡腳局部為陡壁，近于直立；中間寬緩開闊，地面坡角2°~10°，平安河從中流過，平安河河道寬6~15m，河床平緩，平面上呈“S”形展布；涪陵臺位于一走向21°的陡坡中部，地面坡角40°~60°。橋位區地面高程約為234.60~370.60m，相對高差為136.00m。

橋址區下伏基巖為侏羅系中統新田溝（J2x）組、下沙溪廟（J2xs）組頁巖、粉砂質泥巖、砂巖。據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007），將場地鉆探深度內的基巖劃分為強風化帶和中風化帶。砂巖質較硬，強度較高，抗風化能力較強，為較軟巖；粉砂質泥巖、頁巖巖質較軟，強度低，抗風化能力弱，地表多風化呈碎屑狀，層間結合較差，為軟巖。

3 橋型方案的確定

根據案例橋梁工程現狀，結合表1 橋型結構及相應跨徑的計算結果分析，在現有技術標準和荷載標準下，案例橋梁工程采用主跨140m 的波形鋼腹板連續剛構方案在技術上是可行的。

3.1 選擇橋型方案的原則

（1）由于橋梁地面與橋面高差最高達120多米，所以宜選擇大跨徑的橋梁，將主墩布置在施工方便、地質條件較好的位置，選用較合理的基礎型式和施工方案，以降低工程造價。

（2）橋型方案設計時應考慮施工快捷、簡便，技術成熟，確保大橋盡快竣工投入使用。

（3）主橋適宜采用較為經濟且施工技術成熟的方案，同時采用先進的技術手段，以利于降低工程造價。

3.2 橋型方案確定

經過綜合比較，該橋采用連續剛構橋為宜，其造價相對較低，技術難度不大，便于施工組織，節省工期。但考慮到預應力混凝土連續剛構橋目前普遍出現后期跨中下撓和腹板開裂問題，特提出采用（84+2×140+84）m的波形鋼腹板連續剛構橋作為推薦方案。

波形鋼腹板PC 箱梁橋的橫斷面多數采用直腹板，但為了減小橋面板懸挑長度、合理墩臺設計、加大箱梁畸變剛度，也可以采用斜腹板斷面。若橋面較寬，其斷面可有3種選擇：單室多箱斷面、單箱多室斷面和帶斜撐的單室斷面[1]。其中，帶斜撐的單室斷面是近年來應用較多的斷面形式，但缺點是斷面扭轉剛度不大、施工較繁雜，優點是結構簡單、受力明確、可分步作業、施工工藝合理。與混凝土腹板的PC箱梁相比，波形鋼腹板PC箱梁橫向剛度是比較小的，主要由于腹板面外剛度小于混凝土腹板，橋面板的設計彎矩會變大，角耦彎矩變小，角耦彎矩決定翼緣板的焊接部分的焊縫厚度、所以決定斷面形式時，需充分考慮這些影響因素后再確定橫向斷面形式。

4 橋梁結構設計計算

4.1 橋型結構設計

主橋跨徑組合為（84+2×140+84）m 波形鋼腹板連續剛構，主橋長度448m，邊跨與主跨度的比L1/L2=0.6。波形鋼腹板連續剛構上部結構采用預應力混凝土箱梁，采用了左右幅分幅設計，主梁采用單箱單室結構，箱頂寬12m，底寬6m。箱梁腹板設計除端橫隔及根部墩上0號和1號采用混凝土腹板或鋼-混凝土組合腹板外，其余節段腹板均為波形鋼腹板。波形鋼腹板鋼材為Q345qc，其波折形狀按日本標準1600 型采用，厚度為12~24mm，腹板形式為直腹板。

（1）波形鋼板有與平板不同的三維形狀，所以在有梁高變化時，波形鋼板的切割、翼緣與腹板的焊接作業等就會變得相對復雜，從構造角度考慮通過加長等梁高區段利于施工。對于大跨度連續剛構變截面假定是比較合理的，此時梁底一般設為1.6~2.0 次拋物線。同時在支點附近，由于體外索的錨固和轉向塊和支撐等設置的混凝土腹板、橫隔板、橫梁[2]。為了使波形鋼板與混凝土腹板的應力均勻傳遞，同時為了防止鋼板屈曲，應在波形鋼腹板內側設置現澆混凝土里襯，形成鋼-混凝土組合腹板。

該橋箱梁混凝土采用C50。由于波折形狀采用1600型，波形鋼腹板重量比預應力混凝土要輕，結合有利施工、縮短懸臂澆注周期、降低施工鋼材數量的原則考慮，主梁懸臂澆注梁段長度劃分為4.8m，最大懸臂澆注梁段重量控制在200t內，波形鋼腹板的各節段之間一般通過高強螺栓或現場焊接的方式連接（如圖1所示）。

圖1 波形鋼腹板之間的連接方式

4.2 結構受力分析驗算

4.2.1 整體縱向彎曲分析

我國公路、城市橋梁的抗疲勞驗算尚未列入規范，主要參考日本波形鋼腹板PC 箱梁橋疲勞驗算方法、建議車輛荷載計算應力幅、或借用交通量、運營狀況調查確定應力幅、頻度，以便進行疲勞驗算[3]。

橋梁通用軟件Midas 已包含波形鋼腹板的縱向變曲分析內容，但關于波形鋼腹板的屈服、屈曲與連接計算，需按“日本高速公路設計要領”作補充驗算。考慮空間組合結構受力的復雜性，參照日本與鄄城黃河橋設計經驗，Midas 分析時考慮了2 種工況：懸臂施工狀態及運營狀態。

4.2.2 波形鋼腹板剪切計算

波形鋼腹板預應力混凝土橋的豎向剪力假定由波形鋼腹板承擔，且由于波形鋼腹板預應力混凝土箱梁抗扭剛度較一般預應力混凝土箱梁橋要小很多，故設計剪力值應考慮扭轉剪力的疊加。

波形鋼腹板的剪切計算包括強度計算（屈服計算）與屈曲計算兩部分。屈曲計算又包括局部屈曲、整體屈曲和組合屈曲3種形態屈曲驗算[4]。一般由強度計算核定波形鋼腹板的板厚，由局部屈曲核定波形鋼腹板的波幅寬度，由整體屈曲核定波形鋼腹板的波高，即波形鋼腹板的剪切計算包括了波形鋼腹板主要設計參數的選定。有關波形鋼腹板的計算結果及采用的參數見表3所示。從表3可以看出結果均控制在120MPa之內。本設計采用標準1600型波形鋼腹板，板幅寬a=430mm，波高d=220mm，各參數見表4所示。

表3 波形鋼腹板的計算結果

表4 波形鋼腹板的計算參數表

5 結束語

本文以一座主跨140m 波形鋼腹板剛構橋為例，從結構設計方案、結構受力分析驗算等方面進行研究分析。結果表明：波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接是保證箱梁整體性的關鍵構造，應注意保證其縱向抗剪、橫向抗彎性能；波形鋼腹板主要承受剪切力，因腹板剪切應力較大且箱梁剪切剛度較小，設計中應注意剪切變形對縱向彎曲撓度的影響。由于該橋分兩個連續剛構橋施工，且左右幅為分幅修建，整個場地就分為4座橋梁同時建設，故應合理組織好施工計劃和安排好施工進度。同時，由于該橋主橋墩高，在施工過程中應做好監測，確保墩身的垂直度和穩定性，以保證施工質量，確保整個工程能及時竣工并投入使用。