裝配式波形鋼腹板組合梁設計實例

彭寧斌,溫火麗

（1.吉安市公路勘察設計院,江西 吉安 343000; 2.江西聚源建設工程有限公司,江西 吉安 343000）

0 引言

裝配式梁橋結構因具有工期短、施工簡便、經濟性強等優勢而應用廣泛，常規的裝配式梁橋一般采用鋼筋混凝土組合梁或混凝土梁形式，近年來又出現了波形鋼腹板梁形式，對于跨徑30～70 m的梁橋較為適用，主梁也由厚重的混凝土腹板轉變為厚度較薄的波形鋼腹板，結構重量減輕，預制梁體運輸及吊裝過程也相對簡化；波形鋼腹板還具備較好的抗剪性和抗裂性，可有效避免混凝土梁橋腹板普遍面臨的斜裂縫病害；橫縱向連接均采取濕接縫形式，省去了現場焊接和涂裝等鋼結構施工工序，施工精度有保證。該文依托具體工程，對裝配式波形鋼腹板組合梁力學特性及指標設計展開分析探討，為此類橋形在國內的推廣應用提供借鑒參考。

1 工程概況

某大橋主橋采用2孔50 m跨裝配式波形鋼腹板組合箱梁橋設計，截面形式為先工后箱，4片工形預制梁構成梁體單幅橫斷面，并通過濕接縫連接為雙箱單室組合箱梁。全橋箱梁高均為3.0 m，標準段頂板和底板濕接縫厚度分別為22.0 m和18.0 cm，波形鋼腹板厚度在10.0～12.0 cm之間。該橋梁主梁標準斷面詳見圖1。頂板為帶翼緣板埋入式構件，翼緣板設計厚度10.0 mm，埋深19.0 cm；底板為嵌入式構件，在鋼腹板和底板頂面連接處設置2%橫坡，通過硅膠密封。

圖1 J大橋主梁標準橫斷面

2 波形鋼腹板梁橋力學特性

波形鋼腹板梁橋與常規的鋼筋混凝土組合梁或混凝土梁受力特性不同[1]。在波形鋼腹板梁斷面圖（圖2）中，L表示波形鋼腹板梁長，h表示梁高，h1和h2分別表示截面形心與頂板形心、底部形心的距離；b1、t1分別為混凝土頂板寬度和厚度，A1為混凝土頂板面積；b2、t2則為混凝土底板寬度和厚度，A2為混凝土底板面積；Ag為波形鋼板面積。不考慮抗彎剛度受波形鋼腹板的影響，則截面基本函數關系表示如下：

圖2 波形鋼腹板梁橋斷面

不考慮底板自身抗彎剛度的情況下，截面抗彎剛度I為：

截面上下緣應力表示為：

式中，σ1、σ2——上下緣應力；N——軸力；M——最大彎矩。通過式（4）可以看出，混凝土底板預應力對波形鋼腹板梁頂板無影響，預應力全部施加于混凝土底板，這種力學特性為梁體應力改善提供了可能[2]。

根據波形鋼腹板組合梁鋼束布置情況，梁體內預應力長束為直線通長布置，端部彎起設計便于錨固。為解決梁端和跨中較大應力差，并向跨中區域施加較大預應力，在底板處設置預應力短束，并對小跨徑梁設置長束。負彎矩鋼束的設置可提升支點抗裂性能。按照這種設計思路，波形鋼腹板梁橋采用全直線鋼束布置，可最大程度減少預應力損失，簡化施工。

3 裝配式波形鋼腹板梁橋設計

3.1 跨徑及箱梁截面形式

參考相關設計經驗，裝配式波形鋼腹板梁跨徑在30 m以下時，結構承載力難以得到充分發揮，且連接件用鋼量在全橋總用鋼量中占比較高，缺乏經濟性；當跨徑超出70 m時，雖然經濟性問題得到解決，但結構自重、梁高及運輸、施工難度均隨之增大，等跨布置也存在較大難度，出現穩定性破壞的可能性增大；而當跨徑位于30～70 m范圍內時，可充分發揮裝配式波形鋼腹板組合梁經濟性和適用性等方面的優勢。為此，必須將裝配式波形鋼腹板組合梁跨徑控制在30～70 m之間。

裝配式波形鋼腹板箱梁截面形式有T形、先工后箱、箱形等，具體見圖3。其中T形和先工后箱形式為傳統預制梁截面形式，對于橋寬較小、運輸條件受限的橋梁較為適用，梁寬一般為2.5 m。箱形截面形式對于大寬度、橋梁周邊預制條件良好的情形適用。結合工程實際，該橋梁主要采用先工后箱截面形式。

圖3 裝配式波形鋼腹板箱梁截面形式

3.2 梁高

該裝配式波形鋼腹板組合梁鋼筋混凝土容重及鋼結構容重分別取26 kN/m3和78.5 kN/m3，單片波形鋼腹板梁自重為[26(A1+A2)+78.5Ag]/延米；鋼筋混凝土橋面鋪裝層厚度為10 cm，則其結構自重為5b1/延米；若裝配式波形鋼腹板厚2 cm，則包含剪力連接件的總面積Ag為0.02h；橫梁、橫隔板等構件因靠近梁端，故其重量對跨中彎矩的影響可忽略不計。則受跨中彎矩作用較大的單片波形鋼腹板梁單位長度恒載qG可表示如下：

因該裝配式波形鋼腹板組合梁采用先簡支后連續的施工工藝，為簡化活載計算，按照簡支狀態進行連續結構正彎矩計算，并按照跨徑將活載集中力均布設置，車道間距為3.5 m，活載沖擊系數取0.1。則單片波形鋼腹板梁單位長度活載qL表示如下：

裝配式波形鋼腹板組合梁每延米恒載和活載和為：

該波形鋼腹板組合梁橋混凝土頂板同時承受橫向彎矩和車輛局部荷載，混凝土底板則承受縱向彎矩，故針對混凝土底板展開梁橋結構整體抗彎承載力分析。向混凝土底板施加預壓應力σ，以抵抗恒載與活載，則有：

該裝配式波形鋼腹板組合箱梁混凝土頂板寬度為底板厚度的2倍，假定σ取16.2 MPa，則根據設計要求，底板承托面積為0.1 m2。波形鋼腹板組合梁高和頂底板參數的關系可表示如下：

由式（9）可以看出，裝配式波形鋼腹板組合梁梁高主要受頂板寬度、底板厚度、跨徑等參數的影響，且梁高受頂板寬度的影響較小，底板厚度則與梁高呈對數曲線分布；當底板厚度較小時梁高較大且變化明顯，相反，底板厚度較大時梁高較小且變化不大。

根據跨徑和梁高的關系（表1），梁高的確定必須同時考慮跨高比應用限制和頂底板厚度的合理性[3]，當跨徑在30 m以下時應根據跨高比確定梁高，而當跨徑在30～70 m時，則根據截面重量控制要求確定梁高。

表1 裝配式波形鋼腹板組合梁跨徑和梁高的關系

3.3 梁寬

根據《公路裝配式混凝土橋梁設計規范》（JTG/T 3365—05—2022），裝配式波形鋼腹板厚度至少為9 mm，且在剪應力控制下鋼腹板承載能力才能有效發揮。支點剪力與跨中彎矩計算模式并不相同，橫隔板、齒塊、護欄等重量確定時考慮恒載影響，并按照標準梁段截面面積的1.3倍計入，而活載剪力按照標準梁段截面面積的1.2倍計入。當波形鋼腹板承擔全部剪力時，強度破壞的出現會先于穩定性破壞。

在箱形截面下，為提升波形鋼腹板結構的承載力，箱梁寬應控制在4～6 m。對于整孔預制箱梁，預制梁寬設計值見表2。表中兩車道高速公路3片梁方案預制梁寬過小，波形鋼腹板性能無法充分利用，濕接縫寬度也較小，會增大施工難度，故在該情況下推薦2片梁，可簡化結構，充分發揮上下部材料性能。三車道和四車道時均應采用3片梁方案，對應的預制梁體寬度較為合理。

表2 裝配式波形鋼腹板組合梁寬

3.4 頂底板剪力連接件

波形鋼腹板組合梁剪力連接件的主要作用在于保證波形鋼腹板和混凝土可靠連接，為將連接件用鋼量控制在全橋用鋼量的30%以內，提升梁橋結構的經濟性，必須選擇合適的連接件形式。為提升結構安全性，還應保證連接件延性和承載力。經過試驗及分析，波形鋼腹板組合梁頂板采用帶翼緣板埋入式連接件，而底板則采用嵌入式連接件，具體形式詳見圖4。

圖4 剪力連接件形式

4 應用效果

針對該高速公路裝配式波形鋼腹板組合梁設計方案，采用先簡支后連續的施工方式，跨徑控制在30～70 m之間，采用先工后箱截面形式，根據截面重量控制要求確定的梁高為3.0 m，四車道時采用3片梁方案，預制梁寬5.6 m，濕接縫寬1.07 m。鋼束則采用底板長束、短束及負彎矩束等形式。

該大橋主梁B1、B2、B3體內預應力鋼束依次采用2-17Фs15.2 mm、1-17Фs15.2 mm、1-17Фs15.2 mm鋼絞線，T1、T2體內預應力鋼束均采用2-12Фs15.2 mm鋼絞線。就施工工序而言，在工形梁體預制階段張拉底板束B1，梁體預制結束后架設工形梁，并施工頂板和底板濕接縫。底板束B2、B3和頂板束T1、T2均在箱室內部張拉，結束后結構由簡支變為連續。因波形鋼腹板底板預應力鋼束張拉對頂板應力影響不大，故進行頂板和底板濕接縫施工時可調整施工工藝，先施工底板濕接縫，張拉B2、B3底板束，再施工頂板濕接縫，也可以先施工頂板和底板濕接縫，張拉B2、B3底板束。采用C50強度混凝土，鋼束控制張拉應力為1 395 MPa，按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG/D60—2015）進行恒載、活載、沉降、溫度值的確定。通過MIDAS/Civil有限元軟件進行結構模擬分析，結果表明，按照該文所確定的參數值進行該裝配式波形鋼腹板組合梁設計后最大剪力和抗剪承載力依次取5 320 kN、6 192 kN，正截面抗彎承載力、最大壓應力等驗算結果均滿足規范要求，該文參數設計應用于實際橋梁效果良好。

5 結論

綜上所述，裝配式波形鋼腹板組合梁能充分利用建筑材料，實現對鋼材、預應力、混凝土等資源的高效配置，并通過截面形式的優化設計滿足裝配化施工要求，剪力連接件的合理設置有利于降低用鋼量和施工難度，提升結構承載力。通過該文分析提出，裝配式波形鋼腹板梁橋適宜跨徑應為30～70 m，箱梁頂、底板厚度及預制寬度應為18 cm、25 cm和4～6 m。梁頂、底板連接件應分別采用翼緣板埋入式和嵌入式兩種形式。以上參數在該橋梁結構中應用后，預應力效能得到充分利用，主梁自重大大減輕，混凝土用量節省，經濟效益和社會效益均得到提升。