波形钢腹板在旧桥改建工程中的应用研究

余 芸 蒋智锋

(苏交科集团股份有限公司 南京 210019)

1 工程概况

马背咀大桥建成于1991年12月，桥梁全长393.9 m，为70 m+70 m预应力混凝土T形刚构桥，结构按当时规范及荷载标准设计，现因交通量增大、超限超重车辆多，主孔桥病害严重，被判定为五类桥梁，已不能正常使用，需进行改扩建。

初步设计方案确定对主桥主梁进行改建，原设计主梁为预应力混凝土箱形，主桥主墩下部结构的承载能力均以该箱梁及当时的荷载为前提，要求改建后的主梁自重必须轻于原主梁。而且根据河道通航净空要求，新建主梁高度也不能高于原结构，同时受力需满足现行规范规定的荷载要求。能满足上述要求的主梁结构有钢箱梁、钢桁架、钢-混组合结构，但前者经济性较差，而且运营期养护量较大。经综合比选最终确定选用钢-混组合结构：波形钢腹板预应力混凝土箱梁。

2 主梁设计

2.1 约束体系

主桥为70 m+70 m跨T形刚构，主墩处墩梁固结，连接墩处布置活动支座，考虑支座的耐久性、抗震性及使用年限，全主桥选用4套GPZ(2009)5.0型盆式橡胶支座。

2.2 主梁

主桥箱梁采用单箱单室断面，主梁顶、底板采用C55混凝土，钢腹板采用Q345C钢材。根部梁高4.3 m，边墩处梁高2.25 m。箱梁顶板宽度为11.0 m，底板宽度为6 m。悬挑长度2.25 m，悬挑端部厚0.2 m，根部厚0.58 m，顶板厚0.28 m，底板厚0.28～0.8 m，梁高及底板厚均按2次抛物线变化。

为使波形钢板与混凝土横梁相接处的应力均匀传递，在主梁墩顶附近、边支点附近设置有钢-混组合段，主墩左右各5.6 m范围内设置了现浇混凝土里衬，里衬厚度为40～60 cm，边支点附近设置2.52 m的混凝土里衬，混凝土里衬与波形钢腹板采用栓钉连接。

2.3 隔板的设置

波形钢腹板箱梁较常规预应力混凝土箱梁结构横向刚度相对较弱，因此，在箱梁跨间需设置横隔以增加波形钢腹板箱梁的横向刚度，由于波形钢腹板采用体外索，一般将横隔与体外束的转向块设计成一体。根据结构分析结果，本工程在每跨各设置3道横隔。

2.4 波形钢腹板波形选择

合适的波形钢腹板的波形形状包括波高、厚度、腹板倾斜角度等。常用的波形钢腹板的波形形状主要有1600，1200和1000型3种，1200型与1000型多用于中小跨且波形钢腹板高度不大的桥梁，实践中应用最多的波形为1600型[1]。经施工可行性、经济性、景观性等各方面的统筹考虑，本工程采用1600型波形钢腹板，厚12～26 mm，采用Q345C钢材。

2.5 波形钢腹板连接设计

波形钢腹板与混凝土顶、底板连接的最基本要求是不发生剪移，本次设计波形钢腹板与混凝土顶板连接采用的双PBL(开孔钢板连接件)连接，与混凝土底板采用单PBL+栓钉连接。波形钢腹板与支点处横梁采用埋入式连接，与跨间横隔采用栓钉连接。考虑到本方案采用悬臂浇注的施工方法，波形钢腹板节段间的连接采用搭接贴角焊接连接的方式(施工时用临时螺栓固定)，以利于调整架设时误差。

3 主桥结构计算

3.1 纵向整体分析

主桥结构计算的荷载包括结构自重、混凝土的收缩徐变、二期恒载、活动荷载、温度附加荷载、预应力荷载、冲击荷载等，结合桥梁结构计算需要，重点对持久状况承载能力极限状态、波形钢腹板设计剪应力、持久状况正常使用极限状态、持久状况和短暂状况构件的应力等荷载组合情况进行计算分析[2]。波形钢腹板相比于混凝土腹板，其抗扭刚度比较小，在偏载作用下，其扭转、畸变变形比混凝土腹板要大，根据经验，本工程计算时汽车荷载考虑采用1.15的放大系数。纵向总体静力计算采用midas Civil程序进行，主梁采用空间梁单元进行模拟，共48个单元和54个节点，结构计算模型见图1。根据悬臂施工流程进行施工阶段的划分，得到各荷载组合下的计算结果，其中持久状况承载能力极限状态下效应与抗力包络见图2。

图1 midas Civil 计算模型

图2 持久状况承载能力极限状态下效应与抗力包络图(单位：kN·m)

由图2可见，持久况状承载能力极限状态下承载力安全系数最小为1.1，满足规范要求。应对构件正截面混凝土的拉应力进行验算，对于A类预应力混凝土构件，要分别计算在短期、长期效应组合下结构应力，计算结果表明，短期效应组合下，上、下缘应力最小应力值为0.63 MPa(受压)，满足规范要求；长期效应组合下，上、下缘应力最小应力值为0.65 MPa(受压)，也能满足规范要求。持久状况标准组合下，上、下缘量大应力为17.68 MPa，小于规范规定的17.75 MPa，满足规范要求。

刚度验算中，采用杆系(计剪切变形)对桥梁的静挠度进行计算，箱梁挠度计算结果见图3。

图3 箱梁挠度图(单位：cm)

由图3可知，主梁跨中的最大挠度为-4.7 cm(-3.3 cm×1.41)，远小于允许值的-11.67 cm，满足规范要求。

3.2 波形钢腹板计算

3.2.1波形钢腹板强度验算

在进行波形钢腹板强度验算时，波形钢腹板的剪应力计算主要按照平均剪应力计算理论和忽略腹板处混凝土顶、底板的抗剪作用的原则。腹板的剪应力为该截面的剪力除以钢板面积，钢腹板高度只计外露于混凝土部分钢板高度，对于嵌入混凝土顶、底板部分钢板不予考虑。根据DB41/T 643-2010《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》，厚16 mm 及16 mm 以下的Q345钢板的容许剪应力160 MPa，大于16 mm的容许剪应力为150 MPa[3]。

3.2.2波形钢腹板剪切屈曲验算

在极限荷载作用时，剪应力即使在允许应力以内，由于波形钢腹板形状不同，钢板的剪切屈曲也有可能发生，所以剪切屈曲验算是波形钢腹板设计必不可少的一个重要环节。波形钢腹板屈曲验算一般分为3种：局部屈曲、整体屈曲、组合屈曲。由于波形钢腹板在日本已为常规桥型，其设计技术非常成熟，且经过实践验证，本次计算采用日本计算公式对波形钢腹板屈曲进行计算，包括局部屈曲验算、整体屈曲验算和组合屈曲验算等3个部分[4]。

由计算结果可知，局部屈曲临界应力最小值为838.2 MPa，出现在板厚最小的跨中区域。波形钢腹板的临界屈曲应力均大于波形钢腹板的钢板强度屈服应力，因此可以视为波形钢腹板在出现局部屈曲之前，先进入了强度屈服状态，结构受力是安全的。整体屈服临界应力最小值为2 997 MPa，出现于主梁根部钢腹板最高部位，大于局部屈曲临界应力和强度屈服强度，因此可以认为在钢板出现整体屈曲或临界屈曲前，钢板已经进入强度屈服，结构受力是安全的。波形钢腹板的复合屈曲是局部屈曲和整体屈曲相互影响，合成的复杂屈曲，是对极限荷载作用时的剪应力进行验算。由计算结果可知，组合屈曲临界应力最小值为157.8 MPa，发生在根部附近波形钢腹板最高处,大于该截面极限剪应力153.1 MPa,结构受力是安全的。

波形钢腹板与混凝土顶、底板连接，要保证在荷载作用下波形钢腹板不会发生剪移。计算结果表明，本工程采用的双PBL连接和PBL+栓钉的连接结构在设计及极限荷载作用下抗力均满足要求。

4 桥面板计算

箱梁横向分析采用midas Civi横向分析模块；计算梁段的选取，考虑箱梁受力的不利影响，取跨中梁段进行分析，腹板采用12 mm波形钢腹板，顶板厚度最薄处280 mm，底板厚为280 mm。本计算采用加弹性支承的框架分析法是一种将箱梁空间三维问题转化为平面问题的简化方法。其原理是在箱梁长度方向上截取单位长度的框架，其上施加等代荷载计算箱梁横向内力。截取1 m长度的跨中箱梁梁段，采用框架结构进行分析。由于该梁段的竖向支撑由相邻梁段的腹板剪力提供，其边界条件假定为两腹板中心处为弹性支撑，将结构进行简单离散，结构离散图见图4。

图4 横向分析结构离散图

桥面板的恒载、温度、收缩、徐变与纵向整体分析相同，活载是将汽车车轮轮重按照规范规定的分布长度计算出1 m长度内的荷载值，将换算荷载分别以使各箱梁腹板顶及箱室梁跨中等位置出现最不利内力为原则进行横向布置，在midas程序中按横向自动加载，对极限承载能力、应力和刚度情况进行计算分析，其中短期效应桥面板下缘应力情况见图5，短期效应桥面板挠度见图6。

图5 短期效应桥面板下缘应力(单位：MPa)

图6 短期效应桥面板挠度图(单位：mm)

极限承载力计算结果表明，桥面板各截面的极限承载力均满足要求。短期效应下桥面板上缘最大应力为5.1 MPa(受压)，最小应力为0.3 MPa(受拉)，下缘最大应力为5.2 MPa(受压)，最小应力为0.7 MPa(受拉)。根据JTG D60-2004 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》6.3.1条，A类预应力混凝土构件在作用短期效应组合下，截面有效正应力不大于0.7ftk(1.918 MPa)，桥面板应力验算满足规范要求。刚度验算的结果表明，桥面板的最大变形值为3.5 mm，考虑C55混凝土长期增长系数1.412 5，其长期挠度值为4.9 mm，小于悬臂长度的1/300(2 500/300=8.3 mm)，满足规范要求。

5 波形钢腹板耐久性设计

本工程桥位处于内陆区域，属于II类环境，根据JT/T 722-2008 《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》腐蚀环境要求按C3选取，采用长效型(25年)[5]。波形钢腹板内外表面防护采用重防腐涂装，外侧波形钢腹板除锈后喷160 μm厚铝，其上涂80 μm厚环氧云铁，再上涂脂肪族聚氨脂50 μm，内侧为除锈后喷160 μm厚铝，其中喷涂环氧厚浆漆，施工环境的温度不得低于5 ℃，相对湿度不得高于85%，工件表面温度不得高于50 ℃，工作表面不可有油及其他污渍。除表面的面漆可在工地露天施工外，其余均应在室内进行。

6 结论

1) 从老桥改造的设计原则和要求来看，波形钢腹板预应力混凝土箱梁的经济性高、运营期养护费用低，具有较大的工程应用优势。

2) 波形钢腹板箱梁抗弯极限荷载组合设计值均小于截面承载力(抗力)，施工各阶段混凝土压应力均小于0.7fck的设计要求，在短期荷载效应组合下结构跨中产生最大位移为47 mm，满足规范要求。

3) 波形钢腹板的局部屈曲临界应力出现在板厚最小的跨中区域，整体屈服临界应力最小值出现于主梁根部钢腹板最高部位，组合屈曲临界应力发生在根部附近波形钢腹板最高处，均能够满足相关设计规范的要求，而且波形钢腹板与混凝土顶、底板连接强度也能满足要求。

4) 箱梁短期效应下，桥面板上缘和下缘最大应力能够满足不大于0.7ftk的要求，而且桥面板的最大变形值为3.5 mm，小于悬臂长度的1/300，满足规范的要求。