波形钢腹板组合梁桥的特性及应用

武林

摘 要：相对于传统混凝土类腹板，形钢腹板是一种新材料，能够很好地替代传统混凝土腹板。波形钢腹板与混凝土顶及底板而构成的结构形式的桥梁称为波形钢腹板组合式桥梁。本文阐述了此桥梁的预应力力、结构设计及抗剪性、抗震性等功能特点，对其应用情况进行了分析，以期为其更好的应用提供参考。

关键词：波型刚腹板；组合桥梁；应用；特性

中图分类号：U448.216 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0069-01

波型刚腹板组合桥梁以混凝土腹板的替代型腹板重新组合成的桥梁。该桥梁同传统的混凝土腹板桥梁的结构相比，取消了工字梁腹板的混凝土材料，代之的是钢腹板，钢腹板较混凝土材料更加轻巧，能够有效降低桥梁的重量[1]。同时，波形钢腹板的形状呈纵向刚度的较低波纹形，克服了传统混凝土钢腹板中纵向桥变的限制所导致的截面预应力下降的问题。本文从波形钢腹板桥梁预应力、结构设计、抗震及抗剪性等方面来分析其特性，以探讨其在我国交通桥梁设计建设中的应用。

1 波形钢腹板组合桥梁的特征

1.1 材料性能的充分发挥

波形钢腹板的桥梁是利用其顶、钢腹板及底等混凝土翼缘板构成，且在箱梁的顶底板中施加其预应力[2]。波形钢腹板因其自身特征的抗剪性能高即轴向刚度低等特征，其比较适应于截面剪力的成端，但其底及顶混凝土的抗剪性能不高及轴向强度强等特征，使其比较适用于截面轴向压力的承受。因此，其性能构建中的功能各异，其能够共同工作和各自发挥性能，并能在最大程度上提升钢材料及混凝土的效率。通过分析其结构发现，常规桥梁的内力分布较为均匀，分布特点同平截面假定的应力三角形分布不同，这表示钢腹板的梁材料具有较高的利用率。例如波形干板为1600型时可选择40-150米的跨径机芯组合，其板厚应为8-40毫米，波形钢腹板桥梁常用1000型、1200型、1600型等。此外，对于一个截面来说，其效率的衡量指标主要是其惯性半径的多少。因波形钢腹板-混凝土式桥梁的混凝土材料集中在截面上下缘，且能够自由增加截面惯性的半径，直至其极限值。因而，波形钢腹板能够明显提高截面和结构的效率。波形钢腹板桥梁的的尺寸应按照桥梁跨径的不同类型来选择。

1.2 箱梁自重的减轻

波形钢腹板的应用能够降低箱梁结构的恒载自重，进而对建设费用及材料使用量进行优化，可以有效降低项目造价。同时，主梁自重结构减轻后可以使地震响应显著降低，进而提高其抗震性能；能够设置体外、体内的预应力钢束来组合使用，其主梁体外预应力利用结构限位块来转向和定位，并增减、替换后期体外的预应力束。

波形钢腹板的纵桥向方向波形呈褶皱状，其纵向拉压作用下的刚度不高，难以分担截面轴力，因此在施加纵向预应力的过程中，能够使混凝土底板产生自由变形，而钢腹板对其无法约束，使所有预应力都在混凝土顶底板上发挥作用，进而使预应力加载的整体效率得到提高，使结构力学性能得到简化。

1.3 钢腹板抗剪功能的提升

大型和中型混凝土桥是我国公路桥梁中常见的类型，且存在梁体刚度不高和混凝土腹板发生开裂及跨中挠度增大等问题[3]。在运营时期，普通腹板在荷载、收缩及温差下能够出现开裂，无法满足使用结构的要求，应对其进行结构加固。此外，开裂问题还能导致混凝土结构及钢筋发生锈蚀和耐久性退化。犹豫波形钢腹板具有较强的抗剪功能，因此，其可以从根本上对上述问题进行解决，以确保桥梁运行期间的结构的正常性和可靠性，且具有较强的针对性。

1.4 推动桥梁动力的提升

按照实桥动力性能、模型试验及力学性能等分析，发现预应力波形钢腹板-混凝土式桥梁常在钢结构和混凝土间振动。通常预应力混凝土桥外束衰减系数为0.0002，自振频率是13-17Hz，通常难以因体外束而导致桥梁共振的发生。以波形钢腹板的弱刚度连接顶底板，因此PC桥（波形钢腹板）形成的局部振型同传统箱梁桥振型相异。有资料显示，因上下混凝土板为整体构成且刚度较大，所以顶板间自振频谱在动力作用下的差异不明显。

2 波形鋼腹板的应用范围及施工特征

2.1 波形钢腹板的应用范围

如今我国设计、在建及已建的波形钢腹板-混凝组合式桥梁已达七十多座，涉及到全国多个省、市，桥梁结构样式呈现多样化，如简支梁桥、连续刚构桥、连续桥梁及斜拉桥等。箱梁横断面可以选用不同的箱室组合形式，并能提高波形钢腹板跨径，最大能够达到200米[4]。可见，波形钢腹板在我国已经取得一定的应用，应用范围不断扩大。

2.2 波形钢腹板的施工特征

波形钢腹板-混凝土桥梁和预应力混凝土桥梁在施工方法上非常相似，都可以应用预应力混凝土桥梁的施工方法来施工。波形钢腹板施工过程中不需现场浇筑，因此也不行混凝土浇筑、绑扎钢筋和支模等工作量，加上桥梁自身重量的减轻，阶段性施工时能够增加节段长度。波形钢腹板可以实施工厂化的生产，且具有稳定可靠的构件质量，无需进行二次现场加工，仅需要对其进行定位安装，进而能够有效地提高施工速度和减少施工时间。利用悬臂浇筑来建筑桥梁，波形钢腹板桥梁的施工效率能够显著提高。同时，波形钢腹板-混凝土式桥梁的施工手段较多，常用的有悬臂现浇法、预制装配式、满堂支架、顶推法和少支架等施工方法。具体如下：

首先是悬臂法。依据国内外相关数据发现波形钢腹板-混凝土桥梁施工能够较传统的混凝土桥梁的效率提高30%。其自重也能减轻四分之一，施工节段的长度能够有效增长，尤其是悬臂施工向量，其根部至四分之一跨径附近，其施工节段的场地能够为3到3.5米，而波形钢腹板桥梁直接应用波形模型即可，且其节段悬臂长度可将近5米。可见，波形钢腹板桥梁利用悬臂法能够有效地缩短工期和加快施工速度。其次，少支架施工方法。该方法仅需少量的过度支撑，能够有效地确保桥梁下道路通行正常，促进模板的现场施工和减轻其支架重量，推动装置规模的降低，尤其是高架桥、市政立交桥和山区桥梁等常会选择此类方法。再次是预制装配法。由于波形钢腹板桥梁自身特点，其在利用预制装配方法施工时会具有较强的优势。先制作波形钢腹板-混凝土桥梁的顶底板构成的工字单元，而后再利用横向混凝土将其进行湿接缝浇筑来连接，使其形成较为完整的主体桥梁。同时，预制装配法能够采用同混凝土桥梁相似的施工方法和结构形式，波形钢腹板的应用能够很好地替代传统混凝土腹板，且抗裂性能良好，具有较好的桥梁外观，该施工装配方法具有较强的推广和应用价值。

总之，波形钢腹板桥梁具有缩短工期和抗震、节省结构材料等方面具有一定的优势，其施工效率、结构工程量、施工措施费用等方面都较传统的混凝土桥梁显著提高，优势较为明显。波形钢腹板对混凝土腹板的替代，不但能够节省腹板的费用，还能有效降低桥梁造价及自重。同时，波形钢腹板桥梁对节能减排具有一定的价值。采用钢结构的结构体系中，波形钢腹板桥梁同混凝土桥梁相比其节能减排效果显著。波形钢腹板承担的截面剪力可以推动其充分发挥材料性能，其顶底板外预应力还能够显著提高其预应力的整体功效。

参考文献

[1]冀伟，邓露，何维，刘世忠，蔺鹏臻.波形钢腹板PC简支箱梁桥局部与整体动力冲击系数的计算分析[J].振动与冲击，2017，36（08）：22-28.

[2]张鸿，郑和晖，陈鸣.波形钢腹板组合箱梁桥节段预制拼装工艺试验[J].桥梁建设，2017，47（01）：82-87.

[3]李杰，武海鹏，陈淮.变截面波形钢腹板组合箱梁腹板剪应力实用计算方法研究[J].铁道科学与工程学报，2017，14（01）：80-86.

[4]李杰，武海鹏，陈淮.波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板承剪分析[J].桥梁建设，2015，45（01）：79-84.