波形钢腹板刚构-连续组合梁桥的设计及分析

任 慧

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

波形钢腹板PC组合箱梁桥是一种钢、混凝土结合的新型桥梁结构形式。这种结构以波形钢腹板替代混凝土腹板，并采用了箱内体外预应力技术，实现了上部结构的轻型化，进而优化了下部结构设计。相对于传统的PC箱梁桥，波形钢腹板抗剪强度高，有效解决了传统PC箱梁桥腹板的开裂问题，而且由于波形钢腹板具有褶皱效应，纵向刚度较低，对顶、底板混凝土徐变、收缩产生的变形约束较小，从而提高了预应力的效率。另外由于体外预应力易于更换，方便后期维护与补强，波纹钢腹板在施工过程中可以预先预制再装配，减少模板和支架的使用量，施工简便，缩短了工期。自法国于1986年建成世界上第一座波形钢腹板箱梁桥Cognac桥以来，这种结构形式的应用越来越广泛，尤其是在日本和法国。运宝黄河大桥初步设计概算结果比较，相同跨度的波形钢腹板刚构-连续组合梁桥比传统的PC箱梁桥节约成本约10%，有效实现了桥梁的经济合理性。

1 项目概况

运城至灵宝高速公路运宝黄河大桥位于“西纵”右玉杀虎口-芮城刘堡的最南端，在芮城县陌南镇柳湾村附近跨越黄河进入河南，接三门峡至淅川高速公路晋豫省界至灵宝段起点。该桥全长1 690 m，由引桥、主桥、副桥3部分组成。副桥全长906 m，桥跨上部结构采用（48+9×90+48）m波型钢腹板预应力混凝土刚构-连续组合梁桥，下部结构F1～F3、F8～F11号墩采用空心墩，F4～F7号墩采用双薄壁墩，桥梁分左右幅，桥面净宽2×14.5 m，设计防洪标准为300年一遇洪水，地震基本加速度0.182g。副桥立面布置见图1。

图1 副桥立面布置图(单位：m)

2 结构设计

2.1 主梁结构设计

运宝黄河特大桥副桥上部结构采用单箱单室波纹刚腹板预应力混凝土箱梁，主梁采用C55混凝土，箱梁顶板横坡与路线横坡一致，底板水平。支点高跨比为0.061，跨中高跨比为0.03。箱梁顶宽15.5 m，底宽8.5 m，悬臂长3.5 m。合拢段处箱梁中心高度为2.7 m，顶板厚0.32 m、底板厚0.3 m；0号块中心高度为5.5 m，顶板厚1.2 m，底板厚为1.2 m；从悬臂端到0号块根部箱梁高度及底板厚度均按照1.8次抛物线变化。主梁跨中断面见图2。

图2 主梁跨中断面图(单位：cm)

2.2 波形钢腹板的设计

运宝黄河桥副桥波形钢腹板的长度为1 600 mm、3 200 mm、4 800 mm三种规格，根据腹板承担剪力大小波形钢腹板采用14 mm与16 mm两种厚度的钢板，图3所示为14 mm厚波形板构造图，采用直板段与斜板段同宽，波高220 mm。上翼缘板和托底钢板采用Q345qDNH耐候钢板，其他连接钢板均采用Q345钢板。波形钢腹板纵向连接采用贴角焊，纵向临时连接采用M22高强螺栓；混凝土与钢腹板接触部分采用焊钉连接，焊钉采用直径为22的圆柱头焊钉。

图3 波形钢腹板构造图(单位：mm)

2.3 波纹钢腹板与混凝土顶底板的剪力连接键设计

在波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计中，最关键的环节是怎样有效处理波形钢腹板与顶底板混凝土的连接，它直接关系到整个桥梁结构的承载能力。波形钢腹板与混凝土的结合设计必须考虑两种材料的协同工作，即钢与混凝土之间的纵向水平剪力能否得到有效控制，不发生相对滑移或剪切连接破坏。组合结构中剪力键使用最多的是栓钉，而目前最有应用前景的剪力键是开孔钢板连接件，即PBL剪力键。本设计顶板采用Twin-PBL抗剪连接件，这种连接件与栓钉相比，抗剪强度较高，承载力大，延性较好；底板在采用焊钉连接的基础上设置了托底钢板及缀板，更有效地加强了波形钢腹板与底板的连接。

图4 顶板连接构造示意

图5 底板连接构造示意

2.4 主梁预应力设计

主梁预应力的设计理念是恒载主要由体内预应力承担，桥梁运营过程中的活载主要由体外预应力承担。运宝黄河桥的主梁按三向预应力设计，纵向预应力采用φs15.2-15、φs15.2-19和 φs15.2-21三种规格的钢绞线，塑料波纹管成孔，除边跨底板钢束采用单端张拉外，其余钢束均采用两端张拉；横向预应力采用φs15.2-2的钢绞线，镀锌金属波纹管成孔，横向预应力钢绞线张拉端锚具与固定端锚具交错布置；竖向预应力采用无黏结预应力钢棒，护套采用原料为高密度聚乙烯树脂，单支单端张拉。体外预应力束索体采用环氧涂层钢绞线生产的成品索，锚具采用相应规范的夹片式锚具，锚具应满足整体换索及调整张拉力的要求，转向器及预埋保护套采用由厂家采用无缝钢管加工而成与体外束相配套的集束式转向器，体外预应力钢筋的张拉控制应力不宜超过0.6 fpk，且不应小于0.4 fpk，体外预应力束在全桥合拢后张拉，张拉顺序由边跨向中跨依次对称进行，张拉时要左右对称。

2.5 下部结构设计

下部结构F1～F3号、F8～F11号墩采用空心墩，壁厚0.6 m，F4～F7号墩采用双薄壁墩，壁厚1.5 m，净间距2.5 m，墩高介于 32.6～36.8 m，为调整各主墩抗推刚度，F4～F7号墩采用墩梁固结，F1～F3号、F8～F11号墩采用放置支座。

3 结构分析计算

3.1 模型建立

由已建的波形钢腹板PC组合箱梁桥的资料来看，这种桥梁在立面布置上与混凝土箱梁桥大致相同。根据已建桥梁，与混凝土箱梁桥相比，墩顶上的高跨比相差不大，而跨中高跨比相差就比较大。该设计支点梁高与跨度之比为1/16.4；跨中梁高与跨度之比为1/33.3，设计取值较为合理。桥梁宽跨比小于0.5时，可用单梁模型进行计算，运宝黄河桥副桥采用Midas Civil建立全桥模型计算。主梁按全预应力构件设计。由于波形钢腹板在纵向的褶皱效应，对纵向力几乎不产生抵抗作用，计算时主梁仅考虑混凝土顶底板的有效截面进行截面特性的计算。副桥全桥模型见图6。

图6 全桥模型

3.2 波形钢腹板的设计

根据桥梁整体布置及箱梁截面变化特性确定钢腹板高度后，根据抗剪强度计算钢板厚度。计算采用式（1）：

式中：SW为腹板竖向剪力；AW为腹板截面积；τws为腹板平均剪应力；τα为钢材的容许剪应力。

由局部屈曲强度界限图(图7)确定最大波折段长度，由整体屈曲强度界限图(图8)确定波高。并根据上述确定的几何参数验算波形钢腹板的合成屈曲强度[1]。

本设计中根据整体桥跨布置，波形钢腹板高度取值h=1 841～4 503 mm，波形钢板波折段最大宽度a=430 mm，波高d=220 mm，根据计算跨中及支点的不同梁段承受的剪力不同，波形钢板厚度采用t=14～16 mm，经验算取值在局部屈曲界限图及整体屈曲界限图适用范围内，计算满足相关规范要求。

图7 Q345局部屈曲界限图

图8 Q345整体屈曲界限图

3.3 横隔板设置

与传统的预应力混凝土箱梁相比，波形钢腹板面外方向的刚度相对较小。因此，有必要在适当的间隔范围内设置横隔板以提高桥梁的横向刚度。如果箱梁不设中横隔板，在荷载作用下会产生明显的畸变变形，随着横隔板的增多，畸变产生的竖向位移也明显减小，最初增加的横隔板对畸变变形的抑制作用最为明显，再增加中隔板板数，这种减小的趋势逐渐减弱。因此，在不过多增加自重的前提下，合理地设置横隔板，可以将畸变变形控制在一定的范围内，这样在箱梁的设计中就可以忽略畸变效应对结构的影响，达到简化设计计算的目的。本设计在考虑提高抗扭刚度的同时还要满足体外束转向装置的设置，主梁纵向每跨设置4道横隔板，隔板间距约为14～16 m。

3.4 上部结构静力计算结果

参考河南省地方标准《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》，在正常使用状态下，波形钢腹板PC箱梁桥不允许混凝土开裂。波形钢腹板PC箱梁的混凝土顶底板抗裂验算按规范JTG D62—2004中6.3条的规定进行。波形钢腹板PC箱梁的应力验算按规范JTG D62—2004中7.1条的规定进行。

由计算结果得正常使用阶段在短期效应组合下+80%有效预应力作用下，主梁上、下缘未产生拉应力，满足规范要求。

由计算结果得正常使用阶段标准值组合作用下，主梁上、下缘最大压应力为13.92 MPa，小于限值0.5 fck=17.75 MPa，满足规范要求。

使用阶段荷载短期效应组合下主梁挠度值为75.9 mm，考虑荷载长期效应的影响，乘以挠度长期增长系数1.4，挠度值为106.3 mm，消除结构自重产生的长期挠度后主梁的最大挠度小于挠度限值90 000/600=150 mm，满足规范要求。

3.5 主墩计算及截面选择

大跨刚构桥减少了大型桥梁支座和养护上的麻烦，但由于桥墩与主梁采用墩梁固结，由于主梁温度、收缩徐变作用，桥墩会承受上部结构产生的水平力，结构设计中一方面要考虑主梁受力合理，另一方面还要考虑墩身在整体结构中的受力合理性。薄壁式墩身由于抗推刚度小，可以有效降低其分配的水平推理，但是随着桥墩距离主梁顺桥向水平位移变形零点的距离不断增大，墩身承受的内力将迅速增大，墩身采取常规配筋的情况下验算无法通过[2]。因此释放部分边墩的墩梁固结效应，选用刚构-连续组合梁桥可以在两者中间取平衡。经计算副桥F4～F7桥墩采用墩梁固结，其余桥墩采用放置支座，既可最大限度地避免使用支座，又可以使桥墩验算顺利通过，达到两者的有效平衡。

4 结语

本文依托运宝黄河特大桥副桥（48+9×90+48）m波形钢腹板预应力混凝土刚构-连续组合梁桥的工程背景对波形钢腹板PC箱梁桥的设计进行了分析。波形钢腹板PC箱梁桥能合理利用钢与混凝土两种材料，发挥混凝土抗弯、波形钢腹板抗剪的优势，结构受力相对普通混凝土箱梁桥更加合理。在波形钢腹板PC箱梁桥的设计中，确定合理的高跨比，选用合理的波形钢腹板形状及与顶底板混凝土的连接方式，是波形钢腹板PC箱梁桥设计中的关键。