波形鋼腹板組合箱梁設計與簡化計算的研究

羅明秋

(南京市公共工程建設中心，江蘇南京210000)

0 引言

減輕大跨度預應力混凝土箱梁結構自重，是橋梁結構技術發展的重要趨勢。對于常規的預應力混凝土箱梁，由于需要在腹板內布設鋼筋和使預應力轉向，通常腹板較厚，其重量可達箱梁自重的30%左右。使用波形鋼腹板代替混凝土腹板，可通過其褶皺效應讓腹板縱向剛度降到很低，以消除腹板和頂、底板之間的約束，達到讓鋼腹板只承擔剪力的作用[1]。

1 結構概述

以仙新路過江通道工程引橋波形鋼腹板組合箱梁為例：腹板采用1600 型波形鋼，波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接分別采用雙開孔鋼板連接件和直接嵌入的形式（見圖1）。

2 主梁建模計算

采用Midas Civil 有限元分析軟件進行整體建模驗算。因波形鋼腹板幾乎沒有承受軸向力和橋軸方向彎曲的能力，故在剛度計算中可忽略波形鋼腹板僅考慮混凝土截面。計算假定彎矩均由箱梁頂底板承受，剪力由波形鋼腹板承受，彎矩和剪力不發生相互作用[2]。

主梁整體計算按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）相關要求進行計算。另外，從計算模型中提取內力數值，對波形鋼腹板各組成部分進行驗算。

3 波形鋼腹板受剪承載力計算

采用平均剪應力計算理論，鋼腹板高度只計外露于混凝土部分高度，忽略混凝土頂、底板的抗剪作用。剪應力應同時計入剪力、扭矩及預應力豎向分力產生的效應。

剪應力計算公式：

扭轉剪應力計算公式：

式（1）～（2）中：Vd為豎向剪力設計值；Td為扭矩設計值；Vp為預應力一次效應豎向分力標準值；Am為箱型薄壁中心所圍面積；hw、tw為波形鋼腹板高度及厚度；α 為修正系數。

波形鋼腹板承載能力極限狀態抗剪強度設計值應大于剪應力與扭轉剪應力數值之和[3]。

4 波形鋼腹板承載力極限狀態剪切穩定驗算

波形鋼腹板的穩定計算包括局部屈曲、整體屈曲和組合屈曲三部分計算內容。

局部屈曲臨界剪應力計算公式如下：

其中：

式（3）～（7）中：fvd為波形鋼腹板抗剪強度設計值；ν 為波形鋼腹板泊松比；λs，L為局部屈曲參數；E 為波形鋼腹板彈性模量；τecr，L為彈性局部屈曲臨界剪應力；k 為波形鋼腹板局部屈曲系數；ew為波形鋼腹板直幅段與斜幅段長度較大值。

整體屈曲臨界剪應力計算公式如下：

其中：

式（8）～（13）中：λs，G為整體屈曲參數；δ 為波形鋼腹板高厚比（波高/板厚）；τecr，G為彈性整體屈曲臨界剪應力；η 為波形鋼腹板形狀系數，1600 型取0.93；β 為波形鋼腹板整體嵌固系數，取1.0；IX，Iy為波形鋼腹板繞順橋向形心軸的慣性矩和抗彎慣性矩。

結合以上計算，波形鋼腹板組合屈曲臨界剪應力按下式計算：

波形鋼腹板剪應力和扭轉剪應力疊加以后，數值小于組合屈曲臨界剪應力，即可認為波形鋼腹板承載力極限狀態剪切穩定[4]。

5 連接件水平受剪承載力計算

波形鋼腹板與頂板、底板連接處的單位長度水平剪力可按下式計算：

混凝土剪力銷受剪承載力設計值Vu1計算公式：

式（16）中：dp為開孔鋼板孔徑；ds為貫穿鋼筋直徑；fcd為混凝土抗壓強度設計值；fsd為貫穿鋼筋抗拉強度設計值；n 為系數，當開孔鋼板間距大于其高度的1.5 倍時取2。

混凝土力剪力銷受劈裂剪承載力設計值Vu2按下式計算：

式（17）中：γc為混凝土強度系數；取1.3t 為開孔鋼板厚度。

開孔鋼板孔間受剪承載力設計值Vu3按下式計算：

式（18）中：fvd為開孔鋼板抗剪強度設計值；t 為開孔鋼板厚度。

底板嵌入式連接件受剪承載力設計值Vu4按下式計算：

式（19）中：A1為波形鋼腹板斜幅段在橫橋向投影面積；AS為結合鋼筋截面面積；fsd為結合鋼筋抗拉設計強度。

根據以上計算內容，波形鋼腹板與頂、底板連接件的水平受剪承載力應滿足下式要求，

式（20）中：Vu為以上Vu1～Vu4計算數值；s 為連接件順橋向間距。

6 其他

波形鋼腹板與混凝土頂底板、橫梁之間的連接，均為典型的鋼混結合段，相關的鋼混組合體系的計算方法在各規范中均有介紹。為了使腹板近橫梁處剛度勻順以及提高鋼腹板抗屈曲能力，在該位置處設置了內襯混凝土。但內襯混凝土的設置會增加結構自重，導致結構經濟性變差。類似工程可采用高強、輕質新材料，以減薄、減輕內襯混凝土段[5]。因本橋采用寬幅大箱梁斷面，為提高箱梁整體的抗扭剛度，在箱梁內每隔一段距離設置一道橫隔梁，橫隔梁兼做體外預應力轉向塊用。

7 結語

通過仙新路過江通道引橋波形鋼腹板組合箱梁工程設計實例，介紹了在設計過程中的簡化計算內容和方法。近些年來國內波形鋼腹板組合梁在工程實例中應用得越來越多，希望通過本文內容為以后類似的結構提供一種設計計算思路，以更好地滿足工程設計需求。