波纹钢腹板PC组合箱梁桥埋入式连接件的设计探讨

刘晓琴，童登国

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

波纹钢腹板预应力混凝土箱梁顾名思义就是用波纹钢板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。其显著特点是用12 mm左右厚的钢板取代30～80 cm厚的混凝土腹板。可见，波纹钢腹板预应力混凝土箱梁可以看成是通过剪力连接件将混凝土顶底板与波纹钢腹板连接起来共同受力的组合结构。在钢与混凝土组合梁中，剪力连接件对组合梁的承载力和变形发展起着重要的作用，它是保证钢构件和混凝土形成整体而共同受力和协调变形的重要手段。主要作用有两个:一是承受并传递钢构件与混凝土之间的纵向剪力，约束二者水平相互滑移;二是抵抗混凝土与钢构件之间的竖向掀起。剪力连接件设计的合理与否直接关系到整个组合梁的承载能力，是设计的关键环节。

波纹钢腹板与混凝土顶底板的剪力键形式多种多样，主要采用的为钉柱连接件、PBL连接件、Twin－PBL连接件及埋入式连接件。波纹钢腹板与混凝土顶底板最初是通过钉柱连接件结合在一起的，例如日本的新开桥及我国江苏省淮安市的长征桥，参见图1。中野高架桥和谷川桥在波纹钢腹板同混凝土顶板的结合中采用了PBL连接件，参见图2。在单个PBL连接件的基础上发展起来，整体刚度和抗剪强度都得到了进一步加强的Twin－PBL连接件也应用很广，例如日本的日见桥，参见图3。本谷桥是日本第一座波纹钢腹板PC连续刚构桥，该桥首次使用了埋入式连接件，之后的很多波纹钢腹板PC组合箱梁桥的剪力键设计都采用了该方法。我国首座波纹钢腹板简支箱梁公路桥—大堰河中桥、我国河南泼河大桥以及作为本文工程背景的鄄城黄河公路大桥均采用了该种连接方式，参见图4。这种结合方法比较独到新颖，它考虑到波纹钢板自身的特点，利用被埋入混凝土中的波纹钢板的斜向面板(作为抗剪结合键有效地发挥作用)、在纵向焊接的接合钢筋、贯穿钢筋以及Leonhardt混凝土抗剪销来抵抗和传递剪力，阻止腹板与顶底板发生相对位移。同时，沿纵桥向焊接在腹板端部的两根钢筋也有承担腹板面外弯矩的作用。

1 工程概况

山东鄄城黄河公路特大桥主桥为(70 m+11×120 m+70 m)波纹钢腹板PC组合箱梁桥。该桥是一座全封闭、全部控制出入的双向四车道高速公路特大桥，上、下行分离，单幅桥宽13.5 m，两幅桥间净宽1.0 m，桥梁全宽28 m，设计速度120 km/h。

这是一种新型的钢与混凝土组合结构，它采用波纹钢腹板来代替传统的混凝土腹板，充分利用了钢与混凝土的材料特性，上部结构自重减轻了20%，提高了桥梁抗震性能，从根本上就杜绝了传统的预应力混凝土箱梁腹板开裂通病的发生。

2 埋入式剪力连接件的设计流程

对剪力连接件的设计，需要考虑两方面的内容:(1)验证设计荷载作用于剪力连接件的剪力小于容许剪力Qa;(2)以剪力连接件的剪切极限强度Qu来验证其安全系数。

鄄城黄河公路特大桥波纹钢腹板与顶底板的连接采用了埋入式连接件。下面将引用日本的研究成果，分析埋入式连接件的设计流程。

2.1 设计荷载作用下结合部水平纵向剪力

式中:Hv为设计荷载作用下沿桥轴方向单位长水平纵向剪力(N/m);Q为断面处作用的竖向剪力(N);S为主梁上部混凝土断面对中性轴的面积矩;I为主梁断面的惯性矩(m4);St为扭转作用下沿桥轴方向单位长产生的剪力(N/m)。

由式(1)可以看出:欲求出设计荷载作用下的结合部水平纵向剪力，必须首先进行全桥计算，确定设计截面处设计荷载作用下的竖向剪力及扭转剪力。

2.2 抗剪结合键的设计

图5 抗剪结合键示意图

抗剪结合键在设计荷载时的容许剪力为:

式中:Qa为抗剪结合键的容许剪力(N/板);A1为抗剪结合键的正面积(mm2)，A1=埋入长度×波高;A2为和抗剪结合键共同作用的接合钢筋的截面积(mm2);μ为与接合钢筋和波纹钢腹板的夹角 θ1有关的系数，θ1=90°为 0，θ1=45°为0.7，θ1=0°为1;σsa为钢筋的容许拉应力(MPa);σ1为混凝土板的容许承压应力(MPa)，σ1=(0.25+0.05A/A1)σcd，A=b0×h0且A＜5A1;σcd为混凝土的抗压设计强度(MPa)。

2.3 抗剪结合键的安全系数

验证安全系数时，应考虑荷载组合1.7×(D+L)

式中:D为恒载产生的剪力;L为活载(含冲击)产生的剪力。

式中:Qu为抗剪结合键的剪切强度(N/板);σck为混凝土的抗压标准强度(MPa);σsy为接合钢筋的屈服应力(MPa)。

2.4 混凝土抗剪销(孔)的设计方法

根据Leonhardt混凝土抗剪销三种破坏方式的抗剪强度研究，限制混凝土抗剪销的最小直径和间距，以及贯穿钢筋的最小直径，保证混凝土抗剪销的破坏是剪切引起的，不会发生混凝土抗剪销的受压开裂破坏及孔间钢板的剪切破坏。

2.4.1 混凝土的剪切破坏

每个具有两个剪切面的混凝土抗剪销的极限剪切强度

式中:φ为混凝土抗剪销的最小直径(mm)。

将式(4)乘以0.7，得到每个具有两个剪切面的混凝土抗剪销的设计剪切强度Vs1:

2.4.2 混凝土抗剪销的开裂破坏

为避免混凝土抗剪销的压坏(开裂)，应保证:

式中:t为波纹钢腹板的厚度(mm);7.5为表示由于混凝土受到三向约束，容许开裂应力可以是混凝土抗压强度的7.5倍。

2.4.3 孔与孔之间钢板的剪切破坏

为防止沿孔的中心线发生剪切破坏，应保证:

式中:σsy为钢板的屈服强度(MPa);As为两个孔之间的钢板部分面积(mm2)，As=f×t，f为两个孔之间净距。

2.4.4 贯通钢筋的最小量

穿过孔的贯通钢筋约束着钢板周围的混凝土，使孔中的混凝土受到三向约束。贯通钢筋的最小量为:

式中:Ast为在每个孔位穿过的贯穿钢筋最小截面积(mm2)。

由公式(1)～(8)可以看出，埋入式连接件的设计流程如下:

(1)进行全桥分析，确定计算截面处的最不利竖向剪力;

(2)计算设计荷载作用下结合部水平纵向剪力;

(3)计算拟定抗剪结合键的容许剪力Qa及极限剪力Qu，确定连接安全性及安全系数;

(4)设计混凝土抗剪销(孔)。

3 鄄城黄河公路特大桥埋入式连接件的设计验算

根据埋入式连接件的设计流程，本节对鄄城黄河公路特大桥埋入式连接件进行验算。

3.1 结合部水平纵向剪力计算

本桥墩顶为混凝土腹板，距墩顶5 m范围内为钢－混凝土组合腹板，其它部位为波纹钢腹板。本文采用大型有限元分析软件MIDAS建立梁单元模型，波纹钢腹板箱梁节段截面类型选用“钢腹板箱梁”，材料选用“组合材料”。

经过计算:设计荷载作用下，波纹钢腹板箱梁节段控制截面的最大竖向剪力为8 588 kN，对应的扭矩为0 kN·m，求得结合部水平纵向剪力Hv=681 kN/m;最大扭矩为2 975 kN·m，对应的竖向剪力为7 016 kN，求得结合部水平纵向剪力Hv=1 070 kN/m。1.7×(D+L)荷载组合下，波纹钢腹板箱梁节段控制截面的最大竖向剪力为14 600 kN，对应的扭矩为0 kN·m，求得结合部水平纵向剪力Hv=1 168 kN/m;最大扭矩为5 057 kN·m，对应的竖向剪力为11 927 kN，求得结合部水平纵向剪力Hv=1 818 kN/m。

3.2 抗剪结合键在设计荷载时的容许剪力Qa及极限剪力Qu计算

鄄城黄河公路特大桥波纹钢腹板与顶底板采用埋入式连接件结合。采用1600型波纹钢腹板，波高为220 mm;埋入混凝土部分长度为350 mm;钢板开孔直径为50 mm，钢板孔纵向中心距为150 mm。控制截面的钢板厚度为16 mm，b0=650 mm，h0=900 mm。纵向接合钢筋为HRB400钢筋，直径为28 mm，容许拉应力280 MPa，屈服强度为400 MPa;C50混凝土抗压设计强度为22.4 MPa，抗压标准强度为32.4 MPa。

将上述参数代入公式(2)，得到抗剪结合键的容许剪力为Qa=1 159 kN/m，大于1 070 kN/m，满足安全性要求。

将上述参数代入公式(3)，得到抗剪结合键的极限剪切强度Qu=1 921 kN/m，大于1 818 kN/m，满足要求。

3.3 混凝土抗剪销(孔)的设计

控制截面波纹钢腹板厚度为16 mm，混凝土抗剪销直径为50 mm，两个孔之间净距为100 mm，混凝土标准抗压强度为32.4 MPa，贯穿钢筋屈服强度为335 MPa。代入公式(5)～(7)，得到混凝土抗剪销的设计剪切强度Vs1=145 kN;压坏(开裂)强度Vs2=194 kN;孔与孔之间钢板的剪切破坏强度Vs3=516 kN。

可见，Vs1＜Vs2且Vs1＜Vs3，混凝土抗剪销既不会发生孔间钢板的剪切破坏，也不会发生抗剪销孔内混凝土的压坏，只会发生混凝土抗剪销的剪切破坏。

贯通钢筋的最小量 Ast≥(0.8×Vs1)/σsy=346 mm2，即贯穿钢筋直径应大于21 mm。

4 结束语

通过上述计算分析过程，得到一些适用于波纹钢腹板PC箱梁的设计通用结论，以供参考。

(1)设计波纹钢腹板PC组合箱梁桥埋入式连接件时主要考虑两个方面:一是考虑埋入混凝土的波纹钢板的斜向面板作为抗剪结合键有效地发挥作用;二是考虑在纵向焊接的接合钢筋来抵抗和传递剪力，阻止腹板与顶底板发生相对位移。

(2)设计波纹钢腹板PC组合箱梁桥埋入式连接件时，不计入实际上参与抗剪的混凝土抗剪销的作用，只将其视为一种安全储备。

(3)对于波纹钢腹板PC组合箱梁桥埋入式连接件，抗剪结合键的设计容许剪切强度与波纹钢腹板的板厚及高度无关。对于一座特定的桥梁，沿全桥是一个定值，最大竖向剪力及扭矩作用处控制剪力连接件的设计。

(4)对于一座特定的桥梁，波纹钢腹板PC组合箱梁桥埋入式连接件的设计极限剪切强度沿全桥是一个定值。

［1］孙筠.波纹钢腹板体外预应力组合箱梁剪力连接件实验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006

［2］王连广.钢与混凝土组合结构［M］.北京:科学出版社，2005

［3］雷昌龙.钢－混凝土组合桥中新的剪力连接器的发展与试验［J］.国外桥梁，1999(2):64－68