波形钢腹板混凝土组合箱梁基本力学特点分析

庞 凡，徐明远，谢寅涛

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

1 波形钢腹板PC组合箱梁桥的产生及概况

箱梁的抗弯刚度和抗扭刚度都非常大，能满足施工过程中的一些稳定性要求，因此经常被用作大、中跨径桥梁的主要结构形式。但是普通预应力混凝土箱梁腹板面积将会占到箱梁总截面面积的25%以上，过厚的腹板大大增加了箱梁自重，也降低了桥梁的跨越能力。同时，由于上部结构过重，也加大了下部结构的尺寸，增大了工程造价[1]。为解决普通预应力混凝土箱梁桥存在的此类问题，须改用新型结构来减少其梁体的厚度，以减少混凝土及钢筋的用量。箱梁的顶、底板厚度一般由其抗弯要求决定，受结构承载力和施工过程制约，其厚度的减少空间较小，而腹板面积的减少则完全有可能。钢腹板预应力混凝土组合箱梁便是为实现桥梁结构的轻型化而产生的。

法国的设计研究机构首先对该问题进行了大量研究，并提出用平钢板代替混凝土腹板，并采用体外力预应力钢筋对梁体施加预应力[2]。

这种钢腹板组合箱梁的钢－砼组合结构形式看上去非常合理，并且施工很简单，但平钢腹板承担了相当大的预应力[3]，对桥梁的预应力产生了很大浪费，直接导致主梁上施加的大部分预应力会转移到钢腹板上，不仅降低了桥梁主梁的有效预应力，而且会因防止钢腹板应力过大而发生屈曲失稳，必须要在钢腹板上增设加劲肋或增加钢板厚度。所以这种平钢腹板结构形式是不合理的。

竖向波形钢腹板PC组合箱梁以沿桥轴向呈波纹的波纹钢板（见图1）来代替箱梁腹板，成功解决了上述平钢腹板箱梁存在的一系列问题。目前大多数已建成或在建的波形钢腹板PC组合梁桥均采用了箱形截面形式，且常用竖向梯形波纹钢板作腹板（见图2）。表1给出了国内外修建的五座波形钢腹板PC混凝土组合梁桥的波形钢腹板几何参数。

图1 波形钢腹板组合箱梁

图2 波形钢腹板几何参数

表1 波形腹板几何参数

2 波形钢腹板PC组合箱梁桥的力学性能特点

2.1 波形钢腹板箱梁建模基本思路

本计算模型波形腹板截面基本尺寸为：长为1 700mm，高为220mm，水平面板宽为430mm，斜板长度为370mm，水平折叠角度为34.7°，钢板厚度为10mm，波形钢腹板高为1 900mm，端部插入混凝土的深度为200mm，主梁总高为3 000mm（共四个波段长）。

本计算在模型中一共建立了三种单元形式，即波形钢腹板、贯穿钢筋和混凝土。为保守起见，只考虑贯穿钢筋和约束钢筋的抗剪作用，由混凝土和贯穿钢筋之间的位移耦合形成波形钢腹板与混凝土的连接，没有考虑约束钢筋的作用。建立箱梁模型时，只是建立截面1／4结构后加两个对称约束，形成局部计算模型，箱梁为完全对称截面，所建的ANSYS模型如图3所示。

图3 计算模型

2.2 波形钢腹板箱梁局部模型分析计算

本计算模型采用三个荷载工况来分析计算波形钢腹板箱梁的整体力学性能。

2.2.1 纯剪应力工况

在纯剪应力工况下，选取三排节点共120个，每个节点均加载集中力7.5k N，加载力总值为120×7.5＝9×102kN，所得模型图如图4所示。

图4 纯剪工况模型图

在此荷载作用下，纯剪段（实际为弯剪）波形钢腹板的剪应力为30MPa左右，而且沿腹板高度方向均匀分布，可得在此段波形钢腹板所承受的剪力为30×0.01×1.9×103＝570kN，占截面总剪力900kN的65%左右，在此情况下波形钢腹板的轴向正应力大小为5～8M P a。

由此可得出结论：波形钢腹板箱梁的剪应力基本由波形钢腹板承担，本计算模型由于混凝土顶底板厚度取值相对较大，且梁高取值较小，波形钢板所承受剪力占总截面剪力比重还不是很大，如果将主梁的梁体高度提高，则腹板所承担的剪应力应该还会加大。

2.2.2 弯矩和轴力单独作用工况

计算模型选取截面形心位置的节点与箱梁周边节点形成刚臂，然后在中心节点位置加弯矩值为2×104kN·m，在模型端部均匀施加荷载105kN／m2。

在弯矩单独作用下混凝土顶底板上的正应力已经超过30.0MPa，而此时波形钢腹板的轴向正应力还达不到1.0M P a。在轴向力的单独作用下，混凝土顶底板的应力可以达到100MPa左右，而波形钢腹板中部的轴向正应力仅为5MPa左右，只是在靠近混凝土的端部受混凝土的影响应力较大，轴向正应力达75～100MPa。此处计算结果说明，在波形板PC箱梁轴向力作用下波形钢腹板不能承受轴向力作用，轴向力由混凝土全部承担，而且在实际情况中，混凝土强度从未达到100MPa。

3 结论

本文利用有限元软件建立了波形钢腹板组合箱梁的局部模型，验证了波形钢腹板PC组合箱梁的两个基本受力特点：a）波形钢腹板组合箱梁的抗弯主要由顶底板承担；b）波形钢腹板组合箱梁的抗剪主要由波形钢腹板承担。

故波形钢腹板PC组合箱梁与传统PC箱梁相比，有以下几处优点：

a）波形钢腹板PC组合箱梁恰当地将钢、混凝土结合起来，提高了结构的稳定性、强度及材料的使用效率，在同等跨径的情况下可将自重减轻25%左右，节约成本约25%；

b）有效解决了传统PC箱梁腹板容易出现斜裂缝的问题；

c）提高了预应力体系的利用效率，减少了预应力钢筋的使用量，且采用体外预应力筋方便了运营期间的检测维修；

d）由于波形钢腹板采用工厂加工，现场拼装作业，所以简化了施工设施，加快了施工进度。

[1]刘磊，钱冬生.波纹钢腹板的受力行为[J].铁道学报，2000，22（增刊)：53-56.

[2]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[J].桥梁建设，1994，（1）：26-30.

[3]M.Rosignoli.Prestressed concrete box girder bridge with folded steel plate webs[J].Structures and Buildings，1999，134（1）：77-85.