大跨径波形钢腹板刚构桥设计研究

何 光

（山东省滨州公路工程有限公司，山东 滨州 256600）

0 引言

波形钢腹板PC组合箱梁是用波折形薄钢板代替箱梁混凝土腹板形成的一种新型钢-混组合结构，它可以大幅度减轻箱梁的自重，减少下部结构的工程量，从而降低造价，实现桥梁的轻型化。波形钢腹板的手风琴效应让波形钢腹板不承受纵向拉、压力，纵向弯曲计算中可不计入腹板的影响，导致波形钢腹板PC 箱梁桥刚度较一般PC箱梁要小，波形钢腹板PC箱梁抗弯刚度约为一般PC箱梁的90%，扭转刚度约为40%，剪切刚度约为10%。工程实践证明，波形钢腹板预应力混凝土箱梁能够改善梁根部混凝土腹板开裂、跨中部持续下挠等问题。国内外对波形钢腹板PC组合箱梁结构力学特性的研究主要集中在抗弯、抗扭、抗剪和结构定性几方面。由于钢腹板主要承受剪力，因此应重点研究腹板的剪切稳定性。本文则主要对大跨径波形钢腹板PC组合箱梁的整体纵向弯曲、腹板剪切以及腹板的连接进行研究。

1 国内外大跨径连续梁桥建设情况

目前，国外已建成主跨100m 以上的波形钢腹板连续梁或连续刚构桥有很多（见表1），日本的下田桥是最大跨径波形钢腹板连续梁桥，主跨达136.5m[1]。

表1 国外已建成主跨100m以上的波形钢腹板连续梁或连续刚构桥

表2 整体纵向弯曲分析结果

我国已建成的波形钢腹板桥梁有长征桥（3跨连续梁18.5m＋30m＋18.5m），泼河大桥（4 跨连续梁30m＋30m＋30m＋30m），大堰河桥（单跨简支梁桥，23.7m）。

国内正在建造的大跨径波形钢腹板梁桥有鄄城黄河公路大桥（主桥为70m＋11×120m＋70m 的波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥）和深圳南山大桥（跨径布置为80m+130m+80m的连续刚构桥）。

2 案例桥梁概况

案例大跨径波形钢腹板刚构桥，起讫里程桩号为：K31+979~K32+803，共20 墩、两台21 跨，每跨30~40m，桥长824m，桥面宽24.5m。桥面设计高程：333.98~345.24m，设计纵坡1.56%。上部构造：主桥采用84+2×140+84波形钢腹板连续刚构，下部桥墩采用带横梁双薄壁墩；引桥采用预应力混凝土T梁；下部构造：墩及基础采用柱式墩、桩基，台及基础采用“U”型台和埋置式轻型桥台，扩大基础和桩基础。四车道高速公路，桥梁宽度为2×11.00m（行车道）+2×0.5m（防撞护栏）+0.5m（分隔带）=24.5m，设计车速80km/h，荷载标准：公路I级，地震动峰值加速度0.05g，反映谱特征周期0.35s。

桥位区地形总体上两桥台高，中间低，南川台位于一走向95°的山脊近顶部，地面坡角20°~45°，在坡脚局部为陡壁，近于直立；中间宽缓开阔，地面坡角2°~10°，平安河从中流过，平安河河道宽6~15m，河床平缓，平面上呈“S”形展布；涪陵台位于一走向21°的陡坡中部，地面坡角40°~60°。桥位区地面高程约为234.60~370.60m，相对高差为136.00m。

桥址区下伏基岩为侏罗系中统新田沟（J2x）组、下沙溪庙（J2xs）组页岩、粉砂质泥岩、砂岩。据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），将场地钻探深度内的基岩划分为强风化带和中风化带。砂岩质较硬，强度较高，抗风化能力较强，为较软岩；粉砂质泥岩、页岩岩质较软，强度低，抗风化能力弱，地表多风化呈碎屑状，层间结合较差，为软岩。

3 桥型方案的确定

根据案例桥梁工程现状，结合表1 桥型结构及相应跨径的计算结果分析，在现有技术标准和荷载标准下，案例桥梁工程采用主跨140m 的波形钢腹板连续刚构方案在技术上是可行的。

3.1 选择桥型方案的原则

（1）由于桥梁地面与桥面高差最高达120多米，所以宜选择大跨径的桥梁，将主墩布置在施工方便、地质条件较好的位置，选用较合理的基础型式和施工方案，以降低工程造价。

（2）桥型方案设计时应考虑施工快捷、简便，技术成熟，确保大桥尽快竣工投入使用。

（3）主桥适宜采用较为经济且施工技术成熟的方案，同时采用先进的技术手段，以利于降低工程造价。

3.2 桥型方案确定

经过综合比较，该桥采用连续刚构桥为宜，其造价相对较低，技术难度不大，便于施工组织，节省工期。但考虑到预应力混凝土连续刚构桥目前普遍出现后期跨中下挠和腹板开裂问题，特提出采用（84+2×140+84）m的波形钢腹板连续刚构桥作为推荐方案。

波形钢腹板PC 箱梁桥的横断面多数采用直腹板，但为了减小桥面板悬挑长度、合理墩台设计、加大箱梁畸变刚度，也可以采用斜腹板断面。若桥面较宽，其断面可有3种选择：单室多箱断面、单箱多室断面和带斜撑的单室断面[1]。其中，带斜撑的单室断面是近年来应用较多的断面形式，但缺点是断面扭转刚度不大、施工较繁杂，优点是结构简单、受力明确、可分步作业、施工工艺合理。与混凝土腹板的PC箱梁相比，波形钢腹板PC箱梁横向刚度是比较小的，主要由于腹板面外刚度小于混凝土腹板，桥面板的设计弯矩会变大，角耦弯矩变小，角耦弯矩决定翼缘板的焊接部分的焊缝厚度、所以决定断面形式时，需充分考虑这些影响因素后再确定横向断面形式。

4 桥梁结构设计计算

4.1 桥型结构设计

主桥跨径组合为（84+2×140+84）m 波形钢腹板连续刚构，主桥长度448m，边跨与主跨度的比L1/L2=0.6。波形钢腹板连续刚构上部结构采用预应力混凝土箱梁，采用了左右幅分幅设计，主梁采用单箱单室结构，箱顶宽12m，底宽6m。箱梁腹板设计除端横隔及根部墩上0号和1号采用混凝土腹板或钢-混凝土组合腹板外，其余节段腹板均为波形钢腹板。波形钢腹板钢材为Q345qc，其波折形状按日本标准1600 型采用，厚度为12~24mm，腹板形式为直腹板。

（1）波形钢板有与平板不同的三维形状，所以在有梁高变化时，波形钢板的切割、翼缘与腹板的焊接作业等就会变得相对复杂，从构造角度考虑通过加长等梁高区段利于施工。对于大跨度连续刚构变截面假定是比较合理的，此时梁底一般设为1.6~2.0 次抛物线。同时在支点附近，由于体外索的锚固和转向块和支撑等设置的混凝土腹板、横隔板、横梁[2]。为了使波形钢板与混凝土腹板的应力均匀传递，同时为了防止钢板屈曲，应在波形钢腹板内侧设置现浇混凝土里衬，形成钢-混凝土组合腹板。

该桥箱梁混凝土采用C50。由于波折形状采用1600型，波形钢腹板重量比预应力混凝土要轻，结合有利施工、缩短悬臂浇注周期、降低施工钢材数量的原则考虑，主梁悬臂浇注梁段长度划分为4.8m，最大悬臂浇注梁段重量控制在200t内，波形钢腹板的各节段之间一般通过高强螺栓或现场焊接的方式连接（如图1所示）。

图1 波形钢腹板之间的连接方式

4.2 结构受力分析验算

4.2.1 整体纵向弯曲分析

我国公路、城市桥梁的抗疲劳验算尚未列入规范，主要参考日本波形钢腹板PC 箱梁桥疲劳验算方法、建议车辆荷载计算应力幅、或借用交通量、运营状况调查确定应力幅、频度，以便进行疲劳验算[3]。

桥梁通用软件Midas 已包含波形钢腹板的纵向变曲分析内容，但关于波形钢腹板的屈服、屈曲与连接计算，需按“日本高速公路设计要领”作补充验算。考虑空间组合结构受力的复杂性，参照日本与鄄城黄河桥设计经验，Midas 分析时考虑了2 种工况：悬臂施工状态及运营状态。

4.2.2 波形钢腹板剪切计算

波形钢腹板预应力混凝土桥的竖向剪力假定由波形钢腹板承担，且由于波形钢腹板预应力混凝土箱梁抗扭刚度较一般预应力混凝土箱梁桥要小很多，故设计剪力值应考虑扭转剪力的叠加。

波形钢腹板的剪切计算包括强度计算（屈服计算）与屈曲计算两部分。屈曲计算又包括局部屈曲、整体屈曲和组合屈曲3种形态屈曲验算[4]。一般由强度计算核定波形钢腹板的板厚，由局部屈曲核定波形钢腹板的波幅宽度，由整体屈曲核定波形钢腹板的波高，即波形钢腹板的剪切计算包括了波形钢腹板主要设计参数的选定。有关波形钢腹板的计算结果及采用的参数见表3所示。从表3可以看出结果均控制在120MPa之内。本设计采用标准1600型波形钢腹板，板幅宽a=430mm，波高d=220mm，各参数见表4所示。

表3 波形钢腹板的计算结果

表4 波形钢腹板的计算参数表

5 结束语

本文以一座主跨140m 波形钢腹板刚构桥为例，从结构设计方案、结构受力分析验算等方面进行研究分析。结果表明：波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接是保证箱梁整体性的关键构造，应注意保证其纵向抗剪、横向抗弯性能；波形钢腹板主要承受剪切力，因腹板剪切应力较大且箱梁剪切刚度较小，设计中应注意剪切变形对纵向弯曲挠度的影响。由于该桥分两个连续刚构桥施工，且左右幅为分幅修建，整个场地就分为4座桥梁同时建设，故应合理组织好施工计划和安排好施工进度。同时，由于该桥主桥墩高，在施工过程中应做好监测，确保墩身的垂直度和稳定性，以保证施工质量，确保整个工程能及时竣工并投入使用。