大跨度波形钢腹板PC组合梁桥设计与分析

马利斌，黄浩，唐国喜

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

预应力混凝土箱梁结构是目前公路桥梁中应用最多的结构形式之一。但随着大跨径连续梁桥的广泛发展及应用，该结构存在以下问题：在施工中预应力管道布置繁琐，施工复杂，管道灌浆质量难以保证；腹板裂缝难以控制，裂缝开裂后预应力钢筋锈蚀严重，影响结构的耐久性[1]。波形钢腹板箱梁组合结构通过采用体外预应力索、腹板采用波形钢板可解决以上问题，并且波形钢腹板箱梁结构自重较轻，可减少下部工程量，降低工程总造价[2]。对于主跨大于100m的变截面连续梁桥，采用波形钢腹板变截面梁桥具有很强的竞争力。

近年来，国内对于波形钢腹板组合梁桥的受力特性及工程应用已开展了较多的工作[3]，目前已建成的波形钢腹板组合梁桥已达10余座，并取得了较好的社会经济效益。本文以淮河某大桥副航道桥设计为例，介绍大跨度波形钢腹板PC组合梁桥的设计思路及主要计算要点。

1 工程概况

淮河在本桥位处分为南北两汊，航道等级Ⅲ级，通航净高8m；其中南汊为主航道，通航净宽单孔双向150m，北汊为副航道，通航净宽单孔双向110m。为满足北汊副航道通航要求，北汊副航道桥拟采用主跨130m的变截面波形钢腹板连续梁桥跨越，桥跨布置为（75+130+75）m。设计荷载为公路Ⅰ级，单幅桥宽16.75m，桥梁下部基础采用承台接群桩基础，桩基按摩擦桩设计，桥梁总体布置图如图1所示。

2 结构设计

2.1 结构尺寸设计

由于人行道采用部分悬挑，单幅桥箱梁顶板宽度为16.0m，箱梁底板宽度为8.50m。梁高和底板厚度均以1.8次抛物线的形式由跨中向根部变化，跨中梁高3.80m，底板厚28cm，根部梁高8.00m，底板厚150cm。箱梁翼缘悬臂3.75m，悬臂端厚度20cm，悬臂根部厚度70cm。顶板除在横梁处加厚外，其余均为等厚28cm。桥梁标准横断面如图2所示。

2.2 预应力体系设计

箱梁采用纵、横双向预应力体系。箱梁纵向预应力采用体内与体外相结合的体系。其中悬臂顶板束、顶板合龙束和底板合龙束均采用体内预应力钢束，以抵抗一期恒载和施工临时荷载；箱梁在连续状态下张拉的体外预应力用于抵抗二期恒载和活载。

体外预应力转向块采用横隔板式转向块，在满足体外束转向要求的同时，有效地增加箱梁的抗扭刚度。

2.3 波形钢腹板设计

上部结构波形钢腹板波长1.60m，波高0.22m，水平面板宽0.43m，水平折叠角度为30.7°，弯折半径为15t（t为波形钢腹板厚度）。波形钢腹板厚度根据抗剪计算采用24mm、22mm、20mm、18mm、16mm和14mm六种型号。

外露于空气部分的防腐涂装，可按照常规钢结构和当地环境条件进行，需特别注意的是由于钢混接缝处日后可能出现的缝隙以及满足施工时的安装误差，钢结构嵌入混凝土部分的2～4cm内也应进行防腐涂装[4]。

2.4 连接键设计

波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接，是波形钢腹板PC组合箱梁桥中最重要的构造部位，要求能够准确传递作用于其连接部的桥轴方向的水平剪力，此外还需要抵抗因桥面轮载所导致的与桥轴成直角方向的桥面板角隅弯矩，以保证箱梁受力安全[5]。

对于抗剪连接件的选择，除了其自身构造及受力特点以外，其经济性以及施工的便利性是影响选择的另外一个非常重要的因素。对于顶板连接键，考虑到桥面板直接承受车轮活载，原则上应采用带翼缘板的连接构造。对于底板，从方便施工的角度考虑，应采用不带翼缘板的连接键形式，以方便连接件部位混凝土振捣，但需要做好排水、止水以及防腐工作，对于埋入式连接件，实施密封是非常重要的。

综合桥面板受力、连接键经济性以及施工便利性，对于本副航道桥的连接件布置方式采用T-PBL+嵌入式连接键的组合方式，抗剪连接键构造如图3所示。考虑施工的便利性，波形钢腹板与横隔板及横梁之间连接采用栓钉连接键连接。

由于本桥跨径较大，采用一般单孔埋入式连接键难以满足抗剪要求，底板采用双排开孔设计，有效地提高了底板连接键抗剪承载能力。

3.2.1 局部模型描述

由于本桥跨度较大，支点处梁高达8m，横梁宽8.5m，根部波形钢腹板采用混凝土内衬，墩顶附近结构受力复杂，需对此处进行详细的验算以验证结构的安全性。为了减小边界条件对计算结果的不利影响，考虑圣维南原理，共建立了5个节段，混凝土部分采用实体单元模拟，波形钢腹板采用壳单元模拟，预应力钢束采用杆单元模拟，有限元模型如图4所示。外荷载采用整体模型计算结果所得的弯矩、剪力、轴力施加于断面，0号块底部按实际支座面积进行对应约束。

3 结构分析

3.1 结构整体计算

对于一般波形钢腹板PC组合连续梁桥，其整体计算可假定波形钢腹板的抗弯承载力计算只计入混凝土顶板和底板的EI和EA，忽略波形钢腹板对抗弯的贡献[6]。

对于波形钢腹板的强度验算，一般包括4项校核内容：抗剪强度、局部屈曲强度、整体屈曲强度以及组合屈曲强度。同时还需进行波形钢腹板与顶底板的抗剪连接的验算。经结构整体验算，桥梁顶底板混凝土均满足规范要求，钢腹板抗剪性能、稳定性以及与顶底板的连接构件均满足设计要求。

3.2 结构局部分析

3.2.2 计算结果分析

在荷载效应标准组合作用下，箱梁顶板顺桥向正应力分布如图5所示，顶板顺桥向处于全部受压状态，压应力分布为-4.2MPa～-10MPa，底板顺桥向正应力分布如图6所示，最大压应力分布为-12.4MPa，结构受力状况良好。

波形钢腹板在荷载标准组合作用下，xy方向剪应力分布如图 7所示，剪应力分布为 -53MPa～53MPa，波形钢腹板Von-Mises应力分布如图8所示，波形钢腹板组合应力均小于150MPa，满足设计要求。

4 小 结

波形钢腹板PC组合梁桥设计方法与常规预应力混凝土箱同类桥梁的设计具有一定的参考价值。

[1]杨明，孙筠，张树仁，等.波纹钢腹板体外预应力箱梁的展望与发展[J].公路交通科技,2006(12).

[2]陈宝春，黄卿维.波形钢腹板PC箱梁桥应用综述[J].公路,2005(7).

[3]陈宝春，陈宜言，林松.波形钢腹板桥梁应用调查分析[J].中外公路,2010(30).

[4]崔冰，董萌，李准华.大跨度变截面波纹钢腹板PC连续梁桥的设计[J].土木工程学报,2011(44).

[5]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

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