波形钢腹板组合箱梁桥的特点与设计分析

王 彩 花

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

0 引言

经调查统计分析，我国已建成的公路及城市桥梁中，由于设计理念及结构技术发展的阶段性，绝大多数的中小型桥梁采用了预应力混凝土桥；然而由于先天缺陷、后天病害及汽车超载等最不利外力组合等综合因素的影响，预应力混凝土梁桥普遍存在着混凝土腹板开裂、梁体混凝土开裂、跨中挠度增大等病害，不同程度地给桥梁的安全运营与耐久性方面带来了隐患。随着国内新建中大型桥梁的浪潮，新型桥梁结构形式及设计理念和技术不断涌现。

波形钢腹板组合箱梁桥是一种将较厚的混凝土腹板由薄波形钢腹板替代的新型钢—混组合结构桥梁形式，具有自重轻、便于装配施工、造价低、耐久性好和全寿命经济效益高、低碳节能等众多优点，是一种符合可持续发展理念的新型桥梁结构形式。该设计思想最先由法国学者于1975年提出，并于1986年建成首座该类桥梁。我国从2005年建成了国内的第一座波形钢腹板组合梁桥之后，也开始了对此类桥梁的研究，逐渐引起了广大桥梁工程师的重视，进而在国内逐步展开推广和应用。本文主要是结合波形钢腹板箱梁桥的特点对南沙河主桥采用该新桥型进行设计，总结心得体会，便于提升今后设计同类桥型结构的水平。

1 波形钢腹板组合箱梁桥的结构组成及优缺点[1,2]

1.1 波形钢腹板组合箱梁桥的结构组成

波形钢腹板组合箱梁桥主要是由混凝土顶底板、波形钢腹板、不同部位的连接件和预应力束四大部分组成。

基于波形钢腹板内没有空间布置体内预应力弯起钢束，所以用体外钢束来代替部分或全部体内钢束，通过转向块实现弯起。

波形钢腹板主要是由直板段、斜板段以及圆弧段组成。波形钢腹板的设计不仅要满足力学方面的要求，还需兼顾制作、施工、美观及经济等方面的因素。

波形钢腹板组合箱梁桥的连接部位主要体现在如下节点：切割成块的波形钢腹板节段之间的接头，就施工而言，需要从工厂预制然后运输到施工现场通过连接进行拼装；保证结构整体受力共同工作的钢腹板与混凝土板间的连接主要用于克服两者间的纵向剪力，防止两者之间产生相对滑移，是此类桥梁设计的关键环节；波形钢腹板与横隔梁板和内衬混凝土之间的接合部主要是用来传递竖向剪力，确保波形钢腹板所受到的剪力可以有效传递到下部结构。

1.2 波形钢腹板组合箱梁桥的结构优缺点

1)当由薄钢腹板取代了相对较厚的混凝土腹板之后，结构自重大为减轻，地震激励作用效果显著降低，抗震性能较好；同时减少了混凝土、预应力钢材、钢筋用量，使下部结构的工程量减少，从而降低工程造价，改善了经济指标。

2)由于该结构的混凝土集中在箱梁顶、底板，回转半径增加，断面结构效率得到提高；另外鉴于波形钢腹板的褶皱效应，纵向刚度较小，体内束集中布置在箱梁顶底板内，进而提高了预应力效率。

3)当传统的预应力混凝土箱梁受混凝土收缩、徐变、运营环境及最不利外力组合等综合因素影响后，混凝土腹板会出现裂缝，引发钢筋腐蚀等病害，从而影响结构耐久性，严重会降低结构的安全性；而波形钢腹板组合箱梁桥则会避免上述问题出现。

4)在波形钢腹板组合箱梁桥设计中，主要分别考虑混凝土的抗弯刚度和波形钢腹板的抗剪刚度，且钢腹板内的剪应力近似于均布分布，有利于不同材料发挥各自优势。

5)体外束的应用为波形钢腹板组合箱梁桥的另一特点，这样即便体外束在后期运营中出现磨损或断裂时，也可以在不间断交通的情况下及时进行更换，提高了结构的耐久性。

6)在施工过程中，波形钢腹板一般采用工厂化生产，现场拼装施工，不仅减少模板支架量和混凝土的浇筑量，另外波形钢腹板同时能作为施工挂篮、导梁等承重构件，从而简化施工设施，加快了施工进程。

7)从立面观看，波形钢腹板的褶皱给人一种简洁直观的立体感，提升了桥梁的美感。

8)由于该新型结构截面的抗扭刚度和抗畸变刚度降低；使得波形钢腹板的屈曲破坏相比更倾向于脆性化。

9)由于波形钢腹板的制作工艺不成熟，导致其制作成本较高，经济性能有待提高。

10)波形钢腹板有较多的拐角，容易滞留泥沙等杂质，易受腐蚀；因此防腐也成为后期维修养护的管理成本问题。

2 工程实例设计

2.1 工程概况

凯旋路工程设计南起坞城东街，北至凯旋街，全长约8.66 km。南沙河主线桥桥梁全长458 m。主线桥平面位于圆缓和组合曲线上，最小圆曲线半径为350 m，主线桥墩高度为6 m～20 m之间，综合考虑桥梁结构的动力性能、低碳建筑概念、经济型与景观性和施工过程；最终选定上部结构采用波形钢腹板组合箱梁，共三联，跨径组合为(35+40+40+35)+(40+40+40+35.5)+(32.5+40+40+40)m。其中以第一联结构为主进行设计分析。

2.2 波形钢腹板组合箱梁的设计要点

如图1所示箱梁采用单箱三室斜腹板断面，梁高2.5 m，顶底板厚0.25 m～0.45 m，悬挑长度为1.5 m，端部厚0.2 m，根部厚0.5 m，采用C55 混凝土；波形钢腹板采用1600型，厚度为18 mm，16 mm，14 mm，12 mm 4种型号的Q345D钢材。

箱梁顶板采用T-PBL方式与波形钢板连接，箱梁底板采用S-PBL+焊钉方式与波形钢板连接；波形钢腹板节段间纵向连接采用M22的高强螺栓进行定位，后进行贴角焊接。

每跨桥梁均设置三道横隔板(不计端、中横梁)，横隔板厚0.35 m，间距约为10 m，波形钢腹板与横隔板通过栓钉连接；与端、中横梁采用埋入式连接方式。

由于跨径不太大，通过建模分析仅在主梁的顶底板内布置体内束可以满足计算要求，因此该桥没有布置预应力体外束。

3 结构设计分析[4,5]

计算时采用MIDAS Civil软件对桥梁建立模型进行结构验算。在进行纵向抗弯计算时主梁截面的EA 和EI 只考虑混凝土顶、底板的作用，忽略波纹钢腹板对EA 和EI的贡献。在进行钢腹板计算时截面只考虑波纹钢腹板的抗剪作用，忽略混凝土顶、底板的作用。

持久状况承载能力极限状态的验算：第一联第二跨(40 m)跨中和交接墩支点处的承载力设计弯矩最大值分别为106 925.4 kN·m和-109 871.2 kN·m；而与之对应的最不利组合弯矩最大值分别为99 951.54 kN·m和-68 755.1 kN·m。

正常使用极限状态的验算：按A类预应力混凝土构件进设计，持久状况在作用效应频遇组合下，箱梁各跨跨中底板和支点顶板均没有出现拉应力；持久状况在作用效应标准值组合下，压区混凝土的最大法向压应力为15.99 MPa，规范容许值为17.75 MPa；拉区预应力筋的最大拉应力为1 176.9 MPa，规范容许值为1 209 MPa。施工阶段主梁正截面最大压应力为11.4 MPa，规范容许值为24.85 MPa；最大拉应力为0.01 MPa，规范容许值为1.918 MPa。波形钢腹板最大剪应力约为85 MPa，规范容许值最小为113 MPa。结构受力均满足要求。

同时由计算结果可知整体屈服临界应力出现于主梁根部钢腹板最高部位，大于整体屈曲临界应力和强度屈服强度，因此可以认为波形钢腹板在进入强度之前不会发生整体屈曲，结构受力是安全的。

此外考虑荷载长期效应的影响，使用阶段边跨和中跨跨中的长期挠度值分别为8.5 mm和15.2 mm，均小于规范规定的容许值58.3 mm和66.7 mm，满足规范要求。

4 优化和改善建议

通过对南沙河主桥的实例设计分析与研究，对此类新型结构的未来应用中提出如下的建议：

1)确定波形钢腹板组合箱梁的横断面形状，应综合考虑抗弯、抗扭、抗畸变刚度的影响，并兼顾桥面宽度、连接构造、桥面板受力及下部与基础构造及经济指标和施工方案等因素的影响。

2)应充分利用此类新型结构上部结构自重较轻、抗震性能较好的优势，采用常规抗震性支座，通过优化桥梁下部结构设计，以提高其经济性。

3)从上述计算结果看，主梁应力安全系数偏保守，预应力配置还有优化空间，同时应该增设预应力体外束，减少体内束的布置，更加优化主梁的设计。

4)从上述计算结果看，波形钢腹板抗剪承载力验算及钢腹板与混凝土顶、底板的连接验算安全系数稍大，可以通过优化主梁截面和钢板厚度及连接剪力键类型或构造形式，来改善经济指标。

5)南沙河主线桥位于组合曲线上，为保证较大的抗扭、抗畸变刚度和体外束、转向块的需要，应该对端、中横梁，横隔板构造和间距，进行进一步的研究。

5 结语

波形钢腹板组合箱梁桥作为一种新型的组合结构，通过充分发挥不同建筑材料的优势，克服传统预应力混凝土箱梁桥不可避免的缺点，逐渐地吸引了不断创新的桥梁工程师。南沙河主线桥是对此类新型结构的又一次应用，通过对该工程实例的初拟、分析研究、反复修改到完善设计成果，使得对波形钢腹板组合箱梁桥结构的认识又提升了一个新的台阶，可为将来类似工程的应用提供借鉴和参考。

参考文献：

[1] 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)：33-34.

[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)：45-53.

[3] JTG D60—2015，公路桥涵设计通用规范[S].

[4] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5] 任红伟，陈海波，宋建永.波形钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析[J].公路,2008，25(8):22-25.