波形鋼腹板剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的設(shè)計(jì)及分析

任 慧

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

波形鋼腹板PC組合箱梁橋是一種鋼、混凝土結(jié)合的新型橋梁結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)以波形鋼腹板替代混凝土腹板，并采用了箱內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)的輕型化，進(jìn)而優(yōu)化了下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的PC箱梁橋，波形鋼腹板抗剪強(qiáng)度高，有效解決了傳統(tǒng)PC箱梁橋腹板的開裂問題，而且由于波形鋼腹板具有褶皺效應(yīng)，縱向剛度較低，對(duì)頂、底板混凝土徐變、收縮產(chǎn)生的變形約束較小，從而提高了預(yù)應(yīng)力的效率。另外由于體外預(yù)應(yīng)力易于更換，方便后期維護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)，波紋鋼腹板在施工過程中可以預(yù)先預(yù)制再裝配，減少模板和支架的使用量，施工簡(jiǎn)便，縮短了工期。自法國(guó)于1986年建成世界上第一座波形鋼腹板箱梁橋Cognac橋以來，這種結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在日本和法國(guó)。運(yùn)寶黃河大橋初步設(shè)計(jì)概算結(jié)果比較，相同跨度的波形鋼腹板剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋比傳統(tǒng)的PC箱梁橋節(jié)約成本約10%，有效實(shí)現(xiàn)了橋梁的經(jīng)濟(jì)合理性。

1 項(xiàng)目概況

運(yùn)城至靈寶高速公路運(yùn)寶黃河大橋位于“西縱”右玉殺虎口-芮城劉堡的最南端，在芮城縣陌南鎮(zhèn)柳灣村附近跨越黃河進(jìn)入河南，接三門峽至淅川高速公路晉豫省界至靈寶段起點(diǎn)。該橋全長(zhǎng)1 690 m，由引橋、主橋、副橋3部分組成。副橋全長(zhǎng)906 m，橋跨上部結(jié)構(gòu)采用（48+9×90+48）m波型鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，下部結(jié)構(gòu)F1～F3、F8～F11號(hào)墩采用空心墩，F(xiàn)4～F7號(hào)墩采用雙薄壁墩，橋梁分左右幅，橋面凈寬2×14.5 m，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇洪水，地震基本加速度0.182g。副橋立面布置見圖1。

圖1 副橋立面布置圖(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)寶黃河特大橋副橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室波紋剛腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主梁采用C55混凝土，箱梁頂板橫坡與路線橫坡一致，底板水平。支點(diǎn)高跨比為0.061，跨中高跨比為0.03。箱梁頂寬15.5 m，底寬8.5 m，懸臂長(zhǎng)3.5 m。合攏段處箱梁中心高度為2.7 m，頂板厚0.32 m、底板厚0.3 m；0號(hào)塊中心高度為5.5 m，頂板厚1.2 m，底板厚為1.2 m；從懸臂端到0號(hào)塊根部箱梁高度及底板厚度均按照1.8次拋物線變化。主梁跨中斷面見圖2。

圖2 主梁跨中斷面圖(單位：cm)

2.2 波形鋼腹板的設(shè)計(jì)

運(yùn)寶黃河橋副橋波形鋼腹板的長(zhǎng)度為1 600 mm、3 200 mm、4 800 mm三種規(guī)格，根據(jù)腹板承擔(dān)剪力大小波形鋼腹板采用14 mm與16 mm兩種厚度的鋼板，圖3所示為14 mm厚波形板構(gòu)造圖，采用直板段與斜板段同寬，波高220 mm。上翼緣板和托底鋼板采用Q345qDNH耐候鋼板，其他連接鋼板均采用Q345鋼板。波形鋼腹板縱向連接采用貼角焊，縱向臨時(shí)連接采用M22高強(qiáng)螺栓；混凝土與鋼腹板接觸部分采用焊釘連接，焊釘采用直徑為22的圓柱頭焊釘。

圖3 波形鋼腹板構(gòu)造圖(單位：mm)

2.3 波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓募袅B接鍵設(shè)計(jì)

在波形鋼腹板PC組合箱梁橋的設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是怎樣有效處理波形鋼腹板與頂?shù)装寤炷恋倪B接，它直接關(guān)系到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。波形鋼腹板與混凝土的結(jié)合設(shè)計(jì)必須考慮兩種材料的協(xié)同工作，即鋼與混凝土之間的縱向水平剪力能否得到有效控制，不發(fā)生相對(duì)滑移或剪切連接破壞。組合結(jié)構(gòu)中剪力鍵使用最多的是栓釘，而目前最有應(yīng)用前景的剪力鍵是開孔鋼板連接件，即PBL剪力鍵。本設(shè)計(jì)頂板采用Twin-PBL抗剪連接件，這種連接件與栓釘相比，抗剪強(qiáng)度較高，承載力大，延性較好；底板在采用焊釘連接的基礎(chǔ)上設(shè)置了托底鋼板及綴板，更有效地加強(qiáng)了波形鋼腹板與底板的連接。

圖4 頂板連接構(gòu)造示意

圖5 底板連接構(gòu)造示意

2.4 主梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

主梁預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)理念是恒載主要由體內(nèi)預(yù)應(yīng)力承擔(dān)，橋梁運(yùn)營(yíng)過程中的活載主要由體外預(yù)應(yīng)力承擔(dān)。運(yùn)寶黃河橋的主梁按三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，縱向預(yù)應(yīng)力采用φs15.2-15、φs15.2-19和 φs15.2-21三種規(guī)格的鋼絞線，塑料波紋管成孔，除邊跨底板鋼束采用單端張拉外，其余鋼束均采用兩端張拉；橫向預(yù)應(yīng)力采用φs15.2-2的鋼絞線，鍍鋅金屬波紋管成孔，橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉端錨具與固定端錨具交錯(cuò)布置；豎向預(yù)應(yīng)力采用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，護(hù)套采用原料為高密度聚乙烯樹脂，單支單端張拉。體外預(yù)應(yīng)力束索體采用環(huán)氧涂層鋼絞線生產(chǎn)的成品索，錨具采用相應(yīng)規(guī)范的夾片式錨具，錨具應(yīng)滿足整體換索及調(diào)整張拉力的要求，轉(zhuǎn)向器及預(yù)埋保護(hù)套采用由廠家采用無縫鋼管加工而成與體外束相配套的集束式轉(zhuǎn)向器，體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力不宜超過0.6 fpk，且不應(yīng)小于0.4 fpk，體外預(yù)應(yīng)力束在全橋合攏后張拉，張拉順序由邊跨向中跨依次對(duì)稱進(jìn)行，張拉時(shí)要左右對(duì)稱。

2.5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)F1～F3號(hào)、F8～F11號(hào)墩采用空心墩，壁厚0.6 m，F(xiàn)4～F7號(hào)墩采用雙薄壁墩，壁厚1.5 m，凈間距2.5 m，墩高介于 32.6～36.8 m，為調(diào)整各主墩抗推剛度，F(xiàn)4～F7號(hào)墩采用墩梁固結(jié)，F(xiàn)1～F3號(hào)、F8～F11號(hào)墩采用放置支座。

3 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

3.1 模型建立

由已建的波形鋼腹板PC組合箱梁橋的資料來看，這種橋梁在立面布置上與混凝土箱梁橋大致相同。根據(jù)已建橋梁，與混凝土箱梁橋相比，墩頂上的高跨比相差不大，而跨中高跨比相差就比較大。該設(shè)計(jì)支點(diǎn)梁高與跨度之比為1/16.4；跨中梁高與跨度之比為1/33.3，設(shè)計(jì)取值較為合理。橋梁寬跨比小于0.5時(shí)，可用單梁模型進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)寶黃河橋副橋采用Midas Civil建立全橋模型計(jì)算。主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。由于波形鋼腹板在縱向的褶皺效應(yīng)，對(duì)縱向力幾乎不產(chǎn)生抵抗作用，計(jì)算時(shí)主梁僅考慮混凝土頂?shù)装宓挠行Ы孛孢M(jìn)行截面特性的計(jì)算。副橋全橋模型見圖6。

圖6 全橋模型

3.2 波形鋼腹板的設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁整體布置及箱梁截面變化特性確定鋼腹板高度后，根據(jù)抗剪強(qiáng)度計(jì)算鋼板厚度。計(jì)算采用式（1）：

式中：SW為腹板豎向剪力；AW為腹板截面積；τws為腹板平均剪應(yīng)力；τα為鋼材的容許剪應(yīng)力。

由局部屈曲強(qiáng)度界限圖(圖7)確定最大波折段長(zhǎng)度，由整體屈曲強(qiáng)度界限圖(圖8)確定波高。并根據(jù)上述確定的幾何參數(shù)驗(yàn)算波形鋼腹板的合成屈曲強(qiáng)度[1]。

本設(shè)計(jì)中根據(jù)整體橋跨布置，波形鋼腹板高度取值h=1 841～4 503 mm，波形鋼板波折段最大寬度a=430 mm，波高d=220 mm，根據(jù)計(jì)算跨中及支點(diǎn)的不同梁段承受的剪力不同，波形鋼板厚度采用t=14～16 mm，經(jīng)驗(yàn)算取值在局部屈曲界限圖及整體屈曲界限圖適用范圍內(nèi)，計(jì)算滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖7 Q345局部屈曲界限圖

圖8 Q345整體屈曲界限圖

3.3 橫隔板設(shè)置

與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁相比，波形鋼腹板面外方向的剛度相對(duì)較小。因此，有必要在適當(dāng)?shù)拈g隔范圍內(nèi)設(shè)置橫隔板以提高橋梁的橫向剛度。如果箱梁不設(shè)中橫隔板，在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的畸變變形，隨著橫隔板的增多，畸變產(chǎn)生的豎向位移也明顯減小，最初增加的橫隔板對(duì)畸變變形的抑制作用最為明顯，再增加中隔板板數(shù)，這種減小的趨勢(shì)逐漸減弱。因此，在不過多增加自重的前提下，合理地設(shè)置橫隔板，可以將畸變變形控制在一定的范圍內(nèi)，這樣在箱梁的設(shè)計(jì)中就可以忽略畸變效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算的目的。本設(shè)計(jì)在考慮提高抗扭剛度的同時(shí)還要滿足體外束轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)置，主梁縱向每跨設(shè)置4道橫隔板，隔板間距約為14～16 m。

3.4 上部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

參考河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范》，在正常使用狀態(tài)下，波形鋼腹板PC箱梁橋不允許混凝土開裂。波形鋼腹板PC箱梁的混凝土頂?shù)装蹇沽羊?yàn)算按規(guī)范JTG D62—2004中6.3條的規(guī)定進(jìn)行。波形鋼腹板PC箱梁的應(yīng)力驗(yàn)算按規(guī)范JTG D62—2004中7.1條的規(guī)定進(jìn)行。

由計(jì)算結(jié)果得正常使用階段在短期效應(yīng)組合下+80%有效預(yù)應(yīng)力作用下，主梁上、下緣未產(chǎn)生拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

由計(jì)算結(jié)果得正常使用階段標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，主梁上、下緣最大壓應(yīng)力為13.92 MPa，小于限值0.5 fck=17.75 MPa，滿足規(guī)范要求。

使用階段荷載短期效應(yīng)組合下主梁撓度值為75.9 mm，考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，乘以撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)1.4，撓度值為106.3 mm，消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度后主梁的最大撓度小于撓度限值90 000/600=150 mm，滿足規(guī)范要求。

3.5 主墩計(jì)算及截面選擇

大跨剛構(gòu)橋減少了大型橋梁支座和養(yǎng)護(hù)上的麻煩，但由于橋墩與主梁采用墩梁固結(jié)，由于主梁溫度、收縮徐變作用，橋墩會(huì)承受上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一方面要考慮主梁受力合理，另一方面還要考慮墩身在整體結(jié)構(gòu)中的受力合理性。薄壁式墩身由于抗推剛度小，可以有效降低其分配的水平推理，但是隨著橋墩距離主梁順橋向水平位移變形零點(diǎn)的距離不斷增大，墩身承受的內(nèi)力將迅速增大，墩身采取常規(guī)配筋的情況下驗(yàn)算無法通過[2]。因此釋放部分邊墩的墩梁固結(jié)效應(yīng)，選用剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋可以在兩者中間取平衡。經(jīng)計(jì)算副橋F4～F7橋墩采用墩梁固結(jié)，其余橋墩采用放置支座，既可最大限度地避免使用支座，又可以使橋墩驗(yàn)算順利通過，達(dá)到兩者的有效平衡。

4 結(jié)語

本文依托運(yùn)寶黃河特大橋副橋（48+9×90+48）m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的工程背景對(duì)波形鋼腹板PC箱梁橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。波形鋼腹板PC箱梁橋能合理利用鋼與混凝土兩種材料，發(fā)揮混凝土抗彎、波形鋼腹板抗剪的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)受力相對(duì)普通混凝土箱梁橋更加合理。在波形鋼腹板PC箱梁橋的設(shè)計(jì)中，確定合理的高跨比，選用合理的波形鋼腹板形狀及與頂?shù)装寤炷恋倪B接方式，是波形鋼腹板PC箱梁橋設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。