波形钢腹板组合箱梁桥概述及设计要点

(华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510000)

引言

在预应力混凝土箱梁中，由于腹板布筋和纵向预应力筋转向的需要，增加腹板的厚度在所难免，从而导致腹板面积高达截面面积的百分之三十左右。因此，运用新型结构以减少预应力混凝土箱梁腹板厚度，是减轻箱梁自重十分有效的途径。波形钢腹板组合箱梁桥应运而生，这种结构运用钢材代替混凝土腹板，实现主梁的轻型化，进而减少了墩台基础的工程量，是一种具有代表性的组合结构桥梁。

随着体外预应力研究的日趋成熟，以及钢材在建筑领域的发展，法国首先提出了用平面钢板代替箱形截面混凝土腹板，以达到减小主梁自重的目的。后经过进一步研究优化，法国 CB 公司产生了用波形钢板代替平面钢板的设想。这种波形钢板因其在轴向为折迭状板，因此不会限制由顶底板混凝土的徐变、收缩产生的变形。在轴向预压力作用时，波形钢能产生较大变形，从而避免了由于常规混凝土腹板的约束作用而造成截面预应力的损失。

一、波形钢腹板组合箱梁桥的特点

(一)构造特征。1.波形钢腹板之间的连接：顶底板混凝土板在现场浇筑，而波形钢腹板可在专业加工场所分段加工成型，然后运送至现场，进行节段之间的连接，再做防护喷涂处理。通常，现场波形钢腹板的连接采用焊接翼缘板，把钢板相互对接坡口焊的方法。或将钢板预留一部分重叠区，先用螺栓临时连接，后采用贴角焊。2.体内、体外预应力混合配束：悬臂浇筑时，在混凝土顶板中配置纵向预应力筋，用以抵抗悬臂施工时的荷载及自重产生的负弯矩。在箱梁内部配置体外束并通过梁端的横墙和横隔板来转向，实现曲线配筋，用于抵抗成桥运营后的活载。3.波形钢腹板与顶底板混凝土的连接方式：对于剪力连接键的形式，可采用在波形钢腹板的上下端部各焊接翼缘板，在翼缘板上密布竖向的剪力钉，或采用翼缘板钻孔，穿过贯通钢筋，使之与混凝土板有效结合。

(二)力学特性。1.轴向变形特性：波形钢板在轴向力作用下可发生较大变形，其表观弹性模量很小。因此，在进行设计时，波形钢腹板承受的轴向力可以忽略不计，轴向力仅由顶底板混凝土承担。2.主梁的抗弯承载力计算：当梁产生弯曲变形时，可以不考虑波形钢腹板的抵抗作用，仅考虑顶底板混凝土的几何特性对截面产生的贡献，也就是说，荷载产生的弯矩仅由顶底板混凝土计算所得的截面抵抗。3.波形钢腹板的屈曲稳定性：主梁在受弯的同时，还受到剪力的作用。抗剪验算时可忽略顶底板混凝土的抗剪作用，假设剪力全部由腹板来承担，同时计算其屈曲应力，即进行波形钢腹板的屈曲稳定验算。4.截面的抗扭特性：主梁在偏心荷载的作用下产生扭转时，波形钢腹板的抗弯刚度贡献与顶底板混凝土相比很小，因此顶底板混凝土内会产生更大的扭转翘曲应力，故应通过增加横隔板或布置更多横向联结构件来限制主梁的扭转变形。

二、波形钢腹板组合箱梁桥设计要点

(一)剪力连接键。钢-砼组合梁中，钢材与混凝土之间的结合面极易发生粘结破坏。为保证不同材料能够有效地结合，共同发挥工作，必须在结合面处设置抗剪连接键，令其既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用，此外还需满足拉力和疲劳强度等功能要求。

结构在钢-砼连接部位的受力状态十分复杂，抗剪连接键的破坏形式一般可分为自身破坏和周围砼的破坏。①连接键自身破坏一般发生在砼强度等级比较高的时候。这时连接键的承载力取决于连接键的形式及材质，包括焊缝破坏、栓钉破坏或变形超过限值。②连接键周围的砼破坏表现为连接键根部砼的局部受压或劈裂破坏。在这种情况下，抗剪连接键的承载力取决于砼强度等级及品种。

(二)剪力滞效应。波形钢腹板组合箱梁与混凝土腹板箱梁一样，沿箱梁横向也存在弯曲应力分布不均匀的现象，称为“剪力滞效应”。

为分析波形钢腹板组合箱梁的剪力滞效应，需采用空间有限元的方法，系统地分析波形钢腹板组合箱梁的纵、横向剪力滞效应分布规律和截面各项参数产生的影响。

在集中荷载或均布荷载作用下，跨中截面以腹板与肋板交界处的剪力滞效应最为严重。当荷载作用位置在支点附近时，剪滞系数明显增大。此外，结构的几何参数如宽跨比、悬翼比、波高等的变化对简支组合箱梁跨中截面剪滞效应均有一定影响，故需从整体上把握组合箱梁剪力滞的分布规律。

(三)抗弯性能。由于波形钢腹板纵向刚度很低，与混凝土产生相同应变时，应力要小得多，对截面抗弯承载力的贡献很小，计算截面抗弯承载力时一般只需要考虑顶底板混凝土的作用。模型试验和有限元分析结果表明，波形钢腹板箱梁受弯时，其应变可假设满足线性分布规律，称之为波形钢腹板组合箱梁的“拟平截面假定”。

此外，波形钢腹板组合箱梁桥体外预应力的二次效应和应力增量会显著影响其极限承载力，考虑二次效应和应力增量的计算过程涉及到迭代非线性，复杂性大大提高。通过理论研究和实践表明，在箱梁内部合理设置转向器，可以基本抑制体外预应力的二次效应。因此，在初步设计时，体外束的二次效应可不作考虑。而计算体外束的极限应力增量时，通常可借鉴预应力混凝土结构的计算公式，人为假设极限应力增量，可以在设计中降低体外束的张拉控制应力。

(四)抗扭性能。通过相似模型试验和建立有限元模拟分析，在扭矩作用下，相较于普通预应力混凝土箱梁，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁顶底板产生的的轴向应变显著增大。设计时一般采用合理布置横隔板来增加主梁的抗扭性能。

在研究波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的扭转特性时，可作如下假定：

1.与混凝土翼缘板相比，波形钢腹板的横向挠曲刚度要小得多，为使计算结果更加保守，通常可假定腹板与翼缘板之间的连接方式为铰接。

2.只考虑波形钢腹板的抗剪作用，而忽略其产生的轴向应力。

基于此，国外学者提出了波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的抗扭刚度公式:

随着横隔板数量的增加，扭转荷载作用下的横向位移和竖向位移最大值产生了不同程度的下降，纵向位移更是在整个跨径范围内都有明显减小。由此可知，通过增加中横隔板的数量可以限制波形钢腹板箱梁的扭转位移，但数量越多对于减少位移的贡献越少。在不过多加大自重的前提下，合理调整横隔板间距，可以有效提高结构的抗扭性能。