波形钢腹板连续箱梁桥在国内的研究和应用

姬 小 伟

(山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030012)

波形钢腹板连续箱梁桥在国内的研究和应用

姬 小 伟

(山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030012)

波形钢腹板箱梁桥有自重轻、抗震性能好、造型美观等优点，在国内外得到了快速发展，对该桥型的结构、受力、施工等特点进行了简述，对其在国内的发展前景进行了探讨，希望促进其更广泛推广应用。

波形钢腹板，连续箱梁，结构特点，力学特性

0 引言

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥是采用波形钢腹板替代钢筋混凝土腹板，是现代桥型结构中一种采用体外预应力技术的新型“钢—混凝土”组合结构，简称波形钢腹板箱梁桥。它最早起源于法国，在日本得到快速发展和深入的研究。我国也先后建成了近百座该型桥，该桥型具有结构设计规范化、抗震性能好、预应力使用效率高、施工速度快、耐久性能好、造型美观等绝佳优势。本文将对该型桥的结构特点、受力特点、施工性能等进行简述，对其在国内的发展前景进行探讨，希望能引起更广泛的关注，促进其在国内推广应用。波形钢腹板箱梁结构示意图见图1。

1 国内外设计研究现状

20世纪80年代，法国CB公司开始进行大量的模型试验和详细的理论分析，确定波形钢腹板箱梁的钢腹板抗剪、抗扭及稳定性等受力特点后，于1986年在法国建成了Cognac桥，该桥为世界上第一座波形钢腹板箱梁桥。随后，德国、韩国、日本等国也都大量修建(见表1)。其中日本先后建造近200座。

表1 国外部分有代表性波形钢腹板箱梁桥

我国对波形钢腹板箱梁桥的研究起步较晚，从20世纪90年代才开始进行相关研究。但是发展很快，近十几年来我国相关科研单位对于该型桥的特性、设计和施工方法进行了试验研究和理论分析，并走向成熟，于2005年建成了第一座该型桥——长征桥。目前，国内已建和在建的该型桥梁已达百余座(见表2)。

现在，国内已有《组合结构桥梁用波形钢腹板》等部颁和地方性规范，为以后波形钢腹板箱梁桥的设计建造提供了技术支持。

表2 国内部分具有代表性的波形钢腹板箱梁桥

2 波形钢腹板箱梁桥的结构特点

2.1 波形钢腹板是波形钢腹板箱梁桥中最具特点的构件

随着桥梁跨径的不断增大，梁体高度不断增高，腹板也相应增高。波形钢板其截面厚度范围一般仅为10 mm～22 mm，只相当于普通钢筋混凝土腹板厚度(300 mm～100 mm)的几十分之一，因此其破坏形式也由混凝土腹板的强度破坏变为波形腹板的失稳破坏。

2.2 波形钢腹板的构造形式

波形钢腹板通常由板材或卷材弯折而成型，其控制几何参数主要有：波形钢板的高h,直板段的宽度a1，斜板段投影宽度a2，斜板段宽度a3,钢板厚度t，波形钢板波的高度d等。

波形钢腹板构造示意图见图3。

2.3 波形钢腹板的连接

1)波形钢腹板与钢筋混凝土板连接方式通常为：埋入式连接法、栓钉连接法、双开孔板连接法、单开孔板连接法、角钢连接法、单开孔板+栓钉连接法；

2)波形钢腹板与钢筋混凝土中横隔梁通常采用焊钉连接法；

3)波形钢腹板与内衬混凝土连接件一般可采用焊钉连接件连接；

4)波形钢腹板之间连接采用搭接连续贴角焊接头。

3 波形钢腹板箱梁桥的力学特性

3.1 抗弯性能分析

波形钢腹板在轴向力作用下变形能力非常强，就会使轴向有效弹性模量Ex降到极低，见下式：

其中，E为波形钢板的弹性模量；t为波形钢板厚；h为板高；a为波形形状系数。

由上式可知波形钢腹板实际弹性模量在轴向的分量只有几百分之一甚至几千分之一的钢板弹性模量,基本不具备抗弯能力，弯矩由混凝土顶、底板承受。

3.2 剪力下的屈曲分析

20世纪90年代美国德雷克塞尔大学对波形钢腹板试验梁进行了深入的试验研究，试验结果表明：波形钢腹板梁的剪力全部由腹板承担，且波形钢腹板的破坏由屈曲造成；当波形比较密集时，由整体屈曲强度来控制；当波形比较稀疏时，由局部屈曲来控制；在屈曲的过程之中，可能伴随合成屈曲。这三种剪切屈曲破坏模式如图4所示。

3.3 梁体的扭转分析

波形钢腹板箱梁桥主梁因偏心荷载的作用而产生扭转变形。因波形钢腹板的纵向刚度极小，扭矩作用几乎完全由上、下混凝土板来协调。而且在扭矩作用下产生相反的水平横向力，使顶、底板产生弯矩，使腹板中产生附加扭转剪应力。因此，为控制梁体截面的扭转变形，在适当的位置设横隔板，以抵消翼缘板翘曲应力和钢腹板上的剪应力(见图5)。

综上，可得出以下结论：波形钢腹板不承受弯矩的作用，抗弯性能可以忽略；波形钢腹板箱梁中的弯矩与剪力之间互不影响。

4 波形钢腹板箱梁桥的优势

波形钢腹板箱梁桥与普通预应力混凝土箱梁桥相比较，具有以下优点。

4.1 梁体自重降低、节约材料、提高经济指标、提高抗震性能

由于采用轻质的波形钢腹板取代厚重的混凝土腹板，使得上部结构的自重大幅度减少，箱梁自重减少20%～40%，在增大桥梁跨径的同时使桥梁结构的工程材料用量减少，从而使工程总造价得到了降低；因箱梁自重减少，使桥梁的抗震性能得到一定的增强，从而可进一步增大桥梁跨径。

4.2 改善了结构受力体系，提高了预应力使用效率

因为波形钢腹板的褶皱效应，其纵向刚度比较低，几乎无法抵抗轴向力，这样波形钢腹板无法约束混凝土顶、底板的徐变与收缩，使预应力的损失减到最小；所有的预应力全部施加到了混凝土顶底翼缘板上，显著提高了施加预应力的效率，简化了梁体的受力分析。

4.3 充分发挥材料潜能和使用效率

波形钢腹板的轴向刚度较低，抗剪强度却较高，非常适合承担剪力，而混凝土顶、底翼缘板的轴向强度较高，抗剪强度较低，适合来承担轴向力。将两种不同力学特性结构组合为一体，同时工作，物尽其能，结构效率均得到提高。

4.4 施工工序少，施工进度快，工期短

因波形钢腹板在工厂进行制作，在施工现场拼接组装，省去混凝土腹板所需模板、管道、混凝土浇筑等复杂工序；同时因梁体的自重减轻，悬臂施工时，施工块件可略微加长，可减少施工节段，从而提高施工效率，减短施工工期。

如日本的本谷桥在采用混凝土腹板箱梁时，至少需39个节段，但采用波形钢腹板后，仅31个节段就能满足要求，数量减少20%，提高了施工效率。桥梁挂篮施工见图6。

4.5 腹板抗剪能力高，避免出现开裂，提高了耐久性能

桥梁运营阶段，预应力混凝土箱梁桥的混凝土腹板受到外力荷载、收缩、徐变以及温度荷载的多重作用，经常会在腹板出现开裂病害，造成钢筋锈蚀等病害，影响桥梁结构的耐久性。采用波形钢腹板后，抗剪能力提高，就有效解决了上述问题，耐久性能得到有效改善。目前对鄄城黄河公路大桥(如图7所示)和泼河大桥进行的检测均未发现病害。

4.6 造型美观

从美学上说，波形钢腹板箱梁桥具有优良的外观，与周围环境更加协调，能获得较强的立体美感，是山区、景区、城市中最佳的桥型选择。

5 波形钢腹板箱梁桥构造的不足之处

1)波形钢腹板箱梁桥的波形钢腹板纵向刚度较小，梁体截面的抗扭刚度和抗畸变性能偏弱；

2)波形钢腹板箱梁桥的连接数量和部位较多，对施工工艺的要求严格；

3)波形钢腹板箱梁桥的屈曲稳定性较差。

6 结论和展望

本文借鉴诸多中外学者在波形钢腹板箱梁桥方面的研究成果，以诸多工程为背景，对该型结构的结构特点、力学特性以及优缺点等进行了简述。

波形钢腹板箱梁桥虽存在部分不足，但其优点更加突出，是一种结构优良的桥型。另外，该型桥梁设计理论与施工方法比较成熟，轻型化、可装配化等特点符合我国未来桥梁发展的趋势，将会拥有更广泛的应用空间。

[1] 李宏江,叶见曙,万 水,等.波形腹板箱梁的扭转与畸变分析及试验研究[J].桥梁建设，2003(6)：1003-1722.

[2] 徐君兰，顾安邦.波形钢腹板组合箱梁桥的结构与受力分析[J].重庆交通学院学报，2005(3):1-4.

[3] 陈水生,刘 律,桂水荣.波形钢腹板PC组合箱梁在我国的研究进展及应用[J].公路工程,2015(3):29-30.

Brief description of research and application of the continuous box girder bridge with corrugated steel webs in China

Ji Xiaowei

(ShanxiChengdaHighwaySurveyDesignCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

Due to the advantages of light weight, good seismic performance and beautiful shape, the continuous box girder bridge with corrugated steel webs has been developed rapidly at home and abroad. In this paper, characteristics of structure, force and construction of the continuous box girder bridge with corrugated steel webs was described briefly and development prospect was discussed to promote the extensive popularization at home.

corrugated steel web, continuous box girder, structural characteristics, mechanical properties

1009-6825(2017)21-0155-03

2017-05-16

姬小伟(1983- )，男，工程师

U448.213

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