广州某波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥力学性能分析

解 冰

（广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州510080）

0 引言

波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥是一种新型组合结构桥梁，有效地利用了波形钢腹板的受力特点，可延长桥梁的使用寿命，近年来这种组合结构桥梁在国内外得到了广泛应用。与传统的连续梁桥相比较，波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥具有如下几个优点：①材料综合利用率高，经济效益较好；②梁可同时采用体内、体外2 种预应力，延长结构使用寿命；③降底了上部结构的自重，抗震性能较好；④大大减少了模板支护和混凝土浇筑，缩短了施工周期；⑤钢腹板不易开裂，提高了桥梁结构的耐久性［1，2］。

2017 年，国家行业标准《波形钢腹板组合梁桥技术标准：CJJ/T 272-2017》颁布实施，为波形钢腹板的设计提供了全国性的参考依据。广大学者也对波形钢腹板梁桥的力学性能进行了深入研究，聂建国等人［3，4］对波形钢腹板梁进行了抗剪强度和剪切变形分析，提出了弹性剪切屈曲强度和有效刚度法。陈宝春等人［5，6］对国内外波形钢腹板梁桥进行了统计，分析了这种梁桥的结构特点，并阐明了发展趋势。陈宜言等人［7，8］介绍了波形钢腹板预应力混凝土桥的适用范围，并对抗震性能进行了详细的研究。董桔灿等人［9，10］对波形钢腹板梁桥进行了抗扭承载力和有效翼缘宽度研究，提出了抗弯和抗扭承载力简化计算公式。

本文针对波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥的设计特点，以广州某特大桥为背景工程进行了力学性能分析，具体包括主梁上下缘混凝土在施工阶段、正常使用极限状态和承载能力极限状态的受力验算，波形钢腹板的剪切破坏及剪切屈曲破坏验算，以及桩基的承载能力计算，探讨了将这种新型结构应用于设计施工的可行性。

1 设计概况

广州某特大桥是广州市红棉大道工程一期的一座波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥，桥梁的边跨为78 m，主跨为130 m，边跨与中跨比值为0.6，桥型具体布置如图1 所示。桥梁除支座处采用混凝土腹板，其他梁段均设置波形钢腹板。由于该类型桥梁的抗扭刚度比常见的混凝土腹板梁桥偏弱，所以每隔一定距离给主梁设置了1个横隔板，以提高主梁的抗扭刚度。其中，边跨和中跨分别设置2道和4道横隔板，横隔板的厚度为0.5 m。并且，箱梁在0#块混凝土梁段设置1道3 m 宽的中横梁，边跨端部各设置1 道1.75 m 宽的横梁。此外，波形钢腹板采用体外预应力索，并将转向块设计为横隔形式，以达到构造统一。波形钢腹板采用1600 型，波高为220 mm，厚度为12～24 mm。桥梁采用柱式桥墩，基础为嵌岩桩。中墩处主梁断面如图1所示，大桥施工现场如图2所示。

图1 桥梁立面Fig.1 Side View of Bridge （cm）

图2 施工现场Fig.2 Construction Site

2 上部结构受力分析

运用软件MIDAS CIVIL 建立了上部结构模型，结合施工方法及其构造特征进行结构离散，以准确模拟其空间尺寸、支座约束、预应力效应等。模型共由70个梁单元组成，不考虑桥面铺装对上部结构刚度的增大效应，仅作为二期恒载施加。由于波形钢腹板的抗弯刚度非常小，几乎不承受纵桥向弯矩，因此模型中仅考虑混凝土顶底板对主梁刚度的贡献，忽略波形钢腹板对纵向抗弯刚度的影响［11］。本模型中混凝土强度为C55，波形钢腹板采用Q345qC 钢，预应力钢绞线标准强度fp=1 860 MPa。

2.1 施工阶段划分

为了准确模拟主梁施工阶段受力情况，本模型施工阶段按如下步骤划分：①架设桥墩，浇筑0#块混凝土，张拉0#块混凝土相应钢束，再安装1#块混凝土挂篮，挂篮重按1 900 kN 计；②按构件实际重量的1.2 倍加载1#块混凝土湿重，张拉1#块混凝土相应钢束，然后挂篮前移；③重复步骤②过程，每一块周期为7 d，直到12#块混凝土的钢束张拉完毕；④浇筑边跨现浇段，合拢边跨；⑤合拢中跨，拆除挂篮，体系转换；⑥施工桥面系，并加载二期恒载；⑦进入运营阶段。

2.2 施工阶段计算

图3 施工阶段半桥混凝土应力Fig.3 Concrete Stress of Half Bridge during Construction

2.3 正常使用极限状态计算

各种荷载组合下，正常使用极限状态半桥混凝土上下缘的应力包络图如图4 所示。从图4 中可以看出，在预应力作用下，主梁上下缘混凝土全截面受压，没有出现拉应力。支座处混凝土压应力减小，主要是由于该处设置了混凝土腹板，增加了混凝土的受力面积。此外，负弯矩产生的混凝土拉应力也可导致压应力的减小。根据以上分析可以得出，该特大桥主梁混凝土属于全预应力混凝土构件，且满足正截面抗裂要求。图4 中混凝土的最大压应力σc=12.8 MPa，小于文献［12］第7.1.5条的限值0.5fck=17.75 MPa，满足使用阶段混凝土正截面压应力规定。

图4 正常使用极限状态下半桥混凝土应力包络图Fig.4 Concrete Stress Envelope Diagram of Half Bridge Under Serviceability Limit State（MPa）

2.4 承载能力极限状态计算

由于波形钢腹板的折褶效应，在抗弯承载能力计算中不考虑波形钢腹板的作用，仅由顶、底板承担弯矩，主梁正截面抗弯承载能力计算结果如图5 所示。从图5中可以看出，主梁中墩处负弯矩较大，但是该处为混凝土腹板，抗弯能力较强，其余截面通过合理构造，混凝土顶底板可以抵抗相应的弯矩。因此，主梁正截面结构抗力均大于所承担的弯矩值，抗弯承载能力符合规范规定。

图5 半桥抗弯承载力计算结果Fig.5 Calculation Results of Bending Capacity of Half Bridge

3 波形钢腹板计算

波形钢腹板在使用过程中可能发生剪切破坏及剪切屈曲破坏，其中剪切屈曲破坏又分为局部剪切屈曲破坏、整体剪切屈曲破坏及组合剪切屈曲破坏3 种模式，因此需要分情况对波形钢腹板进行验算，以确保桥梁的正常使用。图6 展示了1600 型波形钢腹板尺寸，图7 统计了波形钢腹板在承载能力极限状态下的剪应力τd，弹性局部屈曲临界剪应力τeL，弹性整体屈曲临界剪应力τeG。由于单元1、2 和21 为混凝土腹板，故图7中没有列出单元1、2和21的剪应力。

根据《波形钢腹板组合梁桥技术标准：CJJ/T 272-2017》［13］第5.2.2 条规定，由竖向弯曲和自由扭转引起的剪应力τd应满足式⑴，其中结构重要性系数γ0=1.1。从计算可知，剪应力最大值τd，max=116.20 MPa，则γ0τd，max=127.82 MPa＜fvd=155.00 MPa，表明波形钢腹板承载能力极限状态的抗剪强度满足要求，其中fvd为钢腹板抗剪强度设计值。

图6 波形钢腹板截面尺寸Fig.6 Section Size of Corrugated Steel Web （cm）

图7 半桥波形钢腹板的剪切应力Fig.7 Shear Stress of Corrugated Steel Web of Half Bridge

4 下部结构受力分析

本桥下部结构主墩端部采用圆形截面，承台厚4.0 m，下设双排桩基础，桩径2.5 m，顺桥向间距5.5 m，横桥向单幅3根桩间距5.5 m，并对称布置。根据《公路桥涵地基与基础设计规范：JTG 3363-2019》［14］第6.3.7条知，支承在基岩上或嵌入基岩内的钻（挖）孔桩、沉桩的单桩轴向受压承载力容许值Ra可通过文献［14］的公式进行计算。

本文以1#桩基为例，其周围的土层情况依次为淤泥质土、淤泥质砂、砾砂、粉质粘土、微风化灰岩、微风化砂岩。根据文献［14］可知各类土和岩石的桩侧摩阻力以及微风化砂岩的桩端摩阻力，其中q1k=15 kPa，q2k=15 kPa，q3k=60 kPa，q4k=60 kPa，q5k=800 kPa，q6k=600 kPa。微风化砂岩的frk=50 000 kPa，Ap=4.906 m2，μ=7.85 m，根据文献［14］可得c1=0.6，c2=0.5，其中c1是端阻发挥系数，c2是侧阻发挥系数，所以Ra=278 618.565 kN。而计算的单桩轴力为19 112.71 kN，全桥安全系数为γ0=1.1，故γ0N=21 023.98 kN＜Ra。

根据上述验算过程，分别对该桥左幅16#桥墩下6根桩基进行单桩承载能力验算，验算结果如表1所示，可知大桥左幅16#桥墩的桩基础轴向承载力满足要求。

表1 单桩承载能力Tab.1 Bearing Capacity of Single Pile

5 结论

随着社会经济的发展，在保证结构安全的前提下，人们对桥梁的结构形式不断开拓创新，推动了桥梁领域技术的发展。本文以广州某特大桥为研究背景，对波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥进行了较为系统的力学性能分析，在研究范围内得到了以下几点认知。

⑴该特大桥在整个施工阶段和正常使用极限状态下主梁顶底板混凝土的应力均满足文献［12］限值，承载能力极限状态下主梁抗力大于效应，并且嵌岩桩承载能力具有较大的安全系数，表明该桥结构设计合理，力学性能良好。

⑵由弯曲和扭转引起的剪应力小于抗剪强度设计值，并且弹性局部屈曲临界剪应力、整体屈曲临界剪应力和组合屈曲临界剪应力均大于文献［13］限值，表明波形钢腹板不会发生剪切破坏和剪切屈曲破坏。

⑶相比于传统的预应力混凝土梁桥，波形钢腹板的抗弯刚度非常小，但是只要设计合理，主梁顶底板可以承担上部荷载产生的全部弯矩，而波形钢腹板可承担剪力，结构传力清晰，2种材料的优势均得到了发挥。