波形钢腹板组合梁结构特点与设计要领

梁汇伟

(深圳市市政设计研究院有限公司)

1 前言

波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥最早起源于欧洲，上个世纪80年代中期，法国首先将波形钢板应用于实桥，成功地建成了全世界第一座波形钢腹板箱梁桥— 科涅克桥(Cognac)。日本于90年代将此技术引入国内，并加以推广和开发，在公路、铁路及城市轨道的高架桥建设中的到了广泛应用，到目前为止已建设了超过130座波形钢腹板桥，并且在多种桥型中的了实践，如2005年竣工的主跨为235m的预应力斜拉桥——矢作川桥，2008年竣工的主跨为150.4m的连续刚构桥——朝比奈川桥。

目前，国内对波形钢腹板组合梁的研究与实践仍处于起步阶段，通过科技工作者的理论分析及有针对性的实验研究，对这种箱梁结构的抗弯、抗剪、扭转与畸变、波形钢腹板参数设计、屈曲特性、抗剪连接件设计与分析、桥面板的有效分布宽度、剪力滞效应、结构动力学特性和桥梁设计与建造等专题有了一定的认识，但仍未形成系统的规范和标准。自2005年以来，中国已建成的波形钢腹板PC组合箱梁桥有江苏淮安长征人行桥、河南光山泼河公路桥、重庆永川大堰河桥、山东东营银座人行桥、青海三道河桥和宁波甬新河桥等。2007年后在建的桥梁有连霍国道主干线郑州至洛阳高速公路上的英峪沟2号桥、大广高速豫冀界至南乐段的卫河大桥、河南新密溱水路大桥、山东鄄城黄河公路大桥、深圳南山大桥及平铁大桥。其中深圳平铁大桥采用波形钢腹板预应力混凝土组合连续箱梁跨越现况铁路，跨径组合为(80+130+80)m，单幅梁宽达27m，采用悬臂浇筑施工，是目前中国在建的跨径最大的一座波形钢腹板PC组合箱梁桥。

2 结构特点

波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁混凝土腹板做成的箱梁桥，其结构特点主要包括波形钢腹板与体外力筋两个方面，具体表现在：

(1)由于采用波形钢腹板，使得箱梁总重量大为降低，根据研究，结构自重可减少约30%，从而提高了预应力的效率，减少了预应力钢材的用量;同时，可减少基础及墩柱的荷载要求，使得下部结构材料可以大大减少，墩柱可做的更轻盈、美观。

(2)与普通平板式钢腹板相比，波形钢腹板的剪切屈曲强度显著增大，且板厚能减薄，同时屈曲强度可通过增大波形钢腹板的波高而得到提高。

(3)波形钢腹板具有褶皱效应(波形板沿桥轴方向可自由变形)，使导入预应力时不受抵抗，大大提高预应力效应，并对上、下翼板混凝土的徐变、干燥收缩产生的变形，不起约束作用，减少由此带来的预应力损失。

(4)波形钢腹板桥顶底与腹板的材质差异，波形腹板褶皱所产生的光影变化，使得结构具有较强的美感。

(5)采用体外力筋方式，可免除在混凝土瘦扳内预埋管道的烦杂工艺，同时体外力筋可以替换，有利于桥梁的维够与补强。

(6)由于波形钢腹板有效降低上部结构的质量，抗震性能优越，由此可以理解，在日本等地震多发国家该结构得到广泛的应用及推广。

3 设计内容

波形钢腹扳预应力混凝土组合箱梁作为一种新型桥梁结构，在设计与施工中都有诸多关键技术需要解决，其结构设计内容大致如下。

(1)设置体外力筋组合箱梁饭限承载能力的确定。

(2)体外力筋的振动与疲劳特性。

(3)体外力筋用的中间导向块及锚固端处的结构设计。(4)体外力筋的防蚀措施。

(5)波形钢腹扳合理波形尺寸的选择。

(6)波形钢腹板的防腐措施。

(7)波形钢腹板剪切屈曲形式及其屈曲强度的计算方法。

(8)波形钢腹扳与上、下混凝土翼板接合部的结构设计。

4 设计要领

(1)主梁设计

对主梁自重产生的内力可以简单地按梁理论计算，而对后期恒载与活载的作用建议按梁格结构有限元法计算。主梁弯曲强度应满足主梁截面的破坏弯矩大于极限荷载作用时产生的最大弯矩。波形钢腹板无轴向刚度，且其弯曲刚度也远较上下混凝土翼板小，因而与一般混凝土箱梁相比，波形钢腹板式组合箱梁在扭转作用下的截面变形是不容忽视的。其抗扭计算可参照一般钢板粱的计算方法。

波形钢腹板式预应力混凝土组合箱梁多采用体内、体外并用的混合式预应力筋布置方式。体内预应力筋在下混凝土翼板内按直线布筋，而体外预应力筋通过设置的中间转向块向支座上方弯起。设计中一般体内预应力筋承担梁体自重及顶推施工时的荷重;体外预应力筋承担后期恒载及活载的作用。体内预应力筋按一般常规方法计算;对体外预应力筋，当中间转向块及锚固端处采用高密度聚乙烯套管时，摩擦系数可取用μ=0.15。计算混凝土弹性压缩引起的预应力损失时，要考虑体内、体外力筋先后张拉间的相互影响。对于体外预应力筋的有效预应力值的计算，建议采取日本提出的近似公式，即

式中：Pl为有效预拉力，P0为预拉力，r为预应力筋应力桧弛率，n为预应力筋弹性模量E与混凝土弹性模量之比，ρP为预应力筋的配筋率，即AP/AC，AP为预应力筋截面积，AC为混凝土截面积，φ为箱梁中翼板混凝土的徐变系数，χ为时效系数，可取为0.8，εcμ为混凝土干燥收缩率。

波形钢腹板主要承担主梁弯曲时的剪切作用，在剪力作用下波形钢腹板的应力校核应包括三项内容，即钢板的剪应力强度校核、剪应力作用下局部屈曲应力校核及剪应力作用下沿腹板高度方向的整体屈曲应力的校核。钢腹扳的剪应力强度校核可按通常材料力学的公式进行，剪切作用下局部屈曲应力可采用将波形钢腹板的弯折边视为铰接的公式计算，即

式中：τcr为剪切局部屈曲应力，E为钢腹板弹性模，μ为钢腹板泊桑比，k为按b/a由有关曲线查得的系数，a为波形钢腹板相邻两弯折边闻钢板的长边，b为波形钢腹扳相邻两弯折边间钢板的短边，t为钢腹板厚。

剪切作用下整体屈曲应力可采用按正交异性板处理的John T.Easley公式计算，即

式中：Ncr为波形钢腹板单位长度的剪切屈曲荷重，E为钢腹板的弹性模量，Ix、Iy为钢腹板截面的惯性矩，t为钢腹板的板厚，h为钢腹板的高度;1.0≤β≤1.9，当钢腹板高度的两端视为铰接时取β=1.0，视为固定端时取β=1.9。

波形钢腹板与上、下混凝土翼板的连接是该结构最重要的设计内容，抗剪连接件可采用埋入式连接、角钢剪力键连接、双开孔钢板连接件连接(Twin-PBL连接)及单开孔钢板与栓钉的并用连接(S-PBL连接+栓钉连接)等方式。对作用于波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接部的桥轴方向的水平剪力，应验算设计荷载作用时，以及极限荷载作用时的安全性，安全性验算标准为作用于连接部的剪力应小于抗剪连接件的容许剪力以及极限屈服强度。对发生于连接部的与桥轴成直角方向的弯矩，必须验算设计荷载作用时以及极限荷载作用时的安全性，安全性的验算标准为使角隅弯矩所引起的应力在限制值以下。

(2)横梁设计

波形钢腹板式预应力混凝土组合箱梁与通常的PC箱梁桥相比扭转刚度较小，要在支座处设置端横梁及在梁跨适当位置设置横隔板，由此可增加主梁的抗扭刚度。端横梁上布置有预应力钢索的锚固端，端横梁采用钢筋混凝土结构，除在设计荷重作用下受弯曲作用(由前述梁格结构有限元法计算)外，尚在端横梁与桥面板的结合部受到体外预应力索产生的剪切力以及设置在桥面板内的横向预应力筋对端横梁的偏心压力所产生的弯曲作用。

体外预应力钢索用的偏心转向块通常采用钢筋混凝土中间隔板式结构，偏心转向块主要承受体外预应力钢索产生的上拔力，在上拔力作用下应对中间隔板与下翼板的连接部强度、下翼扳的弯曲强度及埋置于中间隔板中的管道(穿放体外预应力筋)的顶部处混凝土局部承压强度作验算。

(3)桥面板设计

桥面扳采用预应力混凝土结构，下翼板为钢筋混凝土结构，上、下翼饭的内力可参照箱形梁截面。

横向设计法计算，但是因波形钢腹板的刚度比通常的PC箱梁要小，设计中要考虑这一不同点的存在，桥面板厚度宜大于一般PC箱梁桥。同时，因为桥面板是受到直接轮载的影响，为了确保较高的疲劳耐久性，在可变荷载作用时不会发生裂缝，其应力要控制在裂缝发生的极限状态以内，可按钢筋的容许单位应力为120N/mm2来计算确定钢筋的配置。

5 结语

波形钢腹板式预应力混凝土组合箱梁所具有的独特的结构特点，表明了在桥梁上应用钢一混组合结构的强大生命力。采用波形钢腹板相当可观地减轻了桥梁的自重，对于长大跨桥梁无疑是极其有利的，同时在减少现场施工作业、缩短工期上的经济效益也是十分明显的。法国、日本在该项新结构的开发与应用上走在世界的前列，随着中国对波形钢腹板PC组合箱梁结构研究的不断深入和应用技术的成熟，它将在中国的桥梁工程中得到愈来愈广的应用。

［1］ 陈宜言.波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工［M］.人民交通出版社，2009.

［2］ 徐强，万水.波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用［M］.人民交通出版社，2009.

［3］ 蔡千典，冉一元.波形钢腹板预应力结合箱梁结构特点的探讨［M］.桥梁建设，1994.

［4］ 朱纯伟，朱越峰.波形钢腹板箱梁桥设计验算方法介绍［J］.工程技术，2008.