波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋
——運寶黃河大橋副橋設計簡介

李 鵬

（山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋最早由法國人在20世紀80年代初設計和建造，我國也于2005年建造了國內第一座波形鋼腹板組合梁橋——江蘇淮安長征人行橋[1]。目前，我國在波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋方面迅速發展，這種橋型結構也逐步向大跨度、復雜結構形式方面突破。

波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋的顯著特點是采用波形鋼腹板代替了傳統預應力混凝土箱梁橋的混凝土腹板，這樣能夠減輕20%～30%的上部結構自重，從而減輕下部結構工程量，改善了結構的抗震性能，相應地也降低了工程造價[2]。而且波形鋼腹板本身具有手風琴效應，其縱向抗拉壓剛度很小，截面彎矩僅由頂底板構成的斷面抵抗，而剪力則完全由鋼腹板承擔，波形鋼腹板幾乎不對箱梁縱向預應力產生抵抗，極大地提高了預應力效率[1]。另外，波形鋼腹板采用工廠化加工，省去了混凝土腹板的鋼筋綁扎和模板拼裝，減少現場施工作業，可大幅加快施工速度，有效縮短工期。不難看出，這種組合梁橋的優勢在于能夠減少工程量，降低成本，縮短工期，提高經濟效益。

本文以目前國內已建成的最大跨徑波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋運寶黃河大橋副橋為例，介紹波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋的設計理念和設計思路。

1 項目概況

運寶黃河公路大橋是一座橫跨黃河的特大橋梁，位于山西與河南兩省交界處，它是規劃建設的運城至靈寶高速公路的一個重要控制工程。大橋橋孔布置為：4×40 m裝配式預應力混凝土連續T梁引橋＋（110＋2×200＋110）m波形鋼腹板預應力混凝土矮塔斜拉主橋＋（48＋9×90＋48）m波形鋼腹板預應力混凝土剛構-連續組合梁副橋，副橋橋型布置圖見圖2。

圖1 波形鋼腹板箱梁示意圖

圖2 橋型布置圖（單位：m）

該橋主要技術指標如下：

a）公路等級 六車道高速公路。

b）設計荷載 公路-Ⅰ級。

c）設計行車速度 80 km/h。

d）設計洪水頻率 1/300。

e）橋面凈寬 2×凈14.5 m。

f）地震動峰值加速度 0.182g。

g）設計安全等級 一級。

h）環境類別 Ⅱ類。

i）橋梁設計基準期 100年。

2 波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋結構設計

2.1 計算要點

該橋總體縱向計算采用Midas Civil，根據波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋的受力特點做了如下假定：

a）平截面假定，即波形鋼腹板預應力混凝土箱梁的豎向彎曲平截面假定成立，鋼腹板與混凝土頂、底板共同參與受力，不會發生相對滑移，且剪應力沿高度均勻分布。

b）不考慮波形鋼腹板的縱向抗彎。波形鋼腹板在縱向由于手風琴效應，可以自由伸縮，縱向抗拉壓剛度很小，其截面剛度和慣性矩計算可僅考慮頂底板。波形鋼腹板箱梁橫斷面及應力分布見圖3。

圖3 波形鋼腹板箱梁橫斷面及應力分布圖

該橋為剛構-連續組合梁結構，結構計算時，對固接橋墩、承臺、樁基按實際構造尺寸模擬，用土彈簧考慮樁-土相互作用效應，對連續墩則按設置滑動支座考慮。

2.2 主梁

主梁采用單箱單室斷面，頂板寬15.5 m，頂板厚0.3 m，底板寬8.5 m，懸臂長3.5 m。設計中，波形鋼腹板PC箱梁梁高取同等跨徑PC混凝土箱梁梁高的上限，該橋跨中梁高為2.7 m，根部梁高為5.5 m，底板厚由0.3 m漸變為0.8 m，箱梁梁高和底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁在邊跨設置2道橫隔板，在中跨設置4道橫隔板，橫隔板厚0.3 m，根據波形鋼腹板長度要求，箱梁劃分為3.2 m和4.8 m兩種節段。主梁采用C55混凝土，波形鋼腹板、抗剪連接件等波形鋼腹板體系采用Q345qDNH耐候鋼，箱梁跨中和根部斷面見圖4。

圖4 箱梁斷面圖（單位：cm）

為了提高支點截面的抗剪能力，在端橫梁和中橫梁附近一定范圍內要設置內襯混凝土，一般內襯混凝土的長度不小于相交截面高度的1.2倍。該橋端橫梁附近內襯混凝土長4.4 m，中橫梁附近內襯混凝土長6.8 m，波形鋼腹板與內襯混凝土采用焊釘進行連接，波形鋼腹板與橫隔板之間采用Twin-PBL連接鍵連接，見圖5。

圖5 內襯混凝土及波形鋼腹板平面布置圖（單位：cm）

2.3 波形鋼腹板

波形鋼腹板是按剪切屈服前不發生剪切屈曲，極限荷載作用時不發生剪切屈服，并且考慮橋梁橫向剛度等因素來確定其形狀。常用的波形鋼腹板按波長分為1000型、1200型和1600型。該橋波形鋼腹板采用1600型，具體構造尺寸見圖6。波形鋼腹板的厚度一般不小于8 mm，該橋腹板厚度采用16 mm和14 mm兩種厚度。出于結構耐久性以及降低工程造價角度考慮，該橋波形鋼腹板采用耐候鋼。

圖6 波形鋼腹板構造圖（單位：mm）

2.4 波形鋼腹板與頂、底板連接

橋梁運營時，應保證波形鋼腹板與頂、底板之間的有效連接。必須控制鋼材和混凝土兩種材料之間的縱向水平剪力，使這兩種材料之間不會發生相對滑移。因此，波形鋼腹板與頂、底板的連接設計非常重要。

波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁常見的連接形式有栓釘連接鍵、埋入式剪力鍵、S-PBL與栓釘組合連接鍵和Twin-PBL連接鍵，見圖7。

圖7 波形鋼腹板組合箱梁常見連接形式

該項目波形鋼腹板與底板之間采用外包式連接鍵，波形鋼腹板與頂板連接則采用的是目前比較常見的Twin-PBL連接鍵。這種外包式連接鍵沿縱橋向每隔40 cm在波形鋼腹板和底板相接處設置一道加勁鋼板，波形鋼腹板和加勁鋼板的連接則由沿縱橋向設置的一塊水平托底鋼板來完成。通過這種外包式連接很好地解決了波形鋼腹板與底板連接造成的局部開裂問題，外包式連接鍵見圖8（圖中未示意出底板普通鋼 筋與托底加勁鋼板之間的連接）。

圖8 外包式連接鍵（單位：cm）

2.5 預應力體系

2.5.1 預應力鋼束布置

波形鋼腹板預應力混凝土組合梁橋采用波形鋼腹板代替混凝土腹板，這樣預應力僅能在頂、底板混凝土內布置。但是由于混凝土截面面積有限，布設的預應力鋼束數量受到限制，為滿足結構受力的需要，在箱體內設置體外預應力束。體外預應力束采用無黏結預應力體系，在運營階段能夠更換，提高了橋梁的耐久性和安全性。體內、體外預應力束的配置原則是：體內預應力束承擔自重、橋面鋪裝及護欄等產生的二期荷載等永久作用，體外預應力束承擔汽車荷載等可變作用，該橋預應力束布置見圖9。

圖9 預應力束布置（單位：cm）

該橋頂板束采用21-φs15.2，邊跨底板束采用15-φs15.2，中跨底板束采用19-φs15.2，其標準抗拉強度1 860 MPa，張拉控制應力1 395 MPa，混凝土強度達到設計強度的90%后方可張拉鋼束。體外預應力束采用符合國家標準《單絲涂覆環氧涂層預應力鋼絞線》（GB/T 25823—2010）規定的環氧涂層鋼絞線生產的成品索，每束采用19根15.2 mm鋼絞線，標準抗拉強度1 860 MPa，張拉控制應力1 116 MPa，配套管道采用HDPE。

2.5.2 體外束的轉向裝置

體外束在跨徑內與混凝土梁體之間的聯系靠轉向裝置來實施，由于受到較大的集中力和預應力束的摩阻力，其受力較為復雜。從鋼絞線的受力角度，體外束轉向器的彎曲半徑越大越有利，但過大彎曲半徑帶來的問題是轉向器的尺寸就越大，這樣導致了橋梁自重的增加。所以在確保結構安全的前提下，要盡量減小轉向器的彎曲半徑。該項目設計中采用的原則是轉向塊處體外束的彎折角小于15°，轉向器大樣見圖10。

圖10 轉向裝置（單位：cm）

2.5.3 減振器裝置

應對體外束的兩個轉折點或錨固點與彎折點之間的自由段長度加以限制，以免微振磨損，目前一般采用設置防振動裝置的方式來加以避免。《無粘結預應力混凝土結構技術規程》（JGJ 92—2004）規定的體外預應力束的自由長度最大不超過8 m，減振器的縱向布置見圖9，大樣圖見圖11。

圖11 減振器裝置（單位：mm）

3 結語

波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋能夠減少工程量、降低成本、縮短工期、提高經濟效益，在國內橋梁界越來越受重視。運寶黃河大橋主橋是目前世界第一大跨波形鋼腹板矮塔斜拉橋，副橋為90 m主跨波形鋼腹板預應力混凝土剛構-連續組合梁橋，這座橋梁的建成對以后同類橋梁的建設能提供寶貴的設計和施工經驗，本文的介紹可促進這類橋型的推廣應用。