某波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計(jì)

郝 一 果

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原　030002)

波形鋼腹板組合箱梁橋相對(duì)于混凝土箱梁橋，是以波形鋼板代替混凝土作為箱梁的腹板，從而減輕主梁自重，減少施工工序，還能避免腹板開(kāi)裂等混凝土箱梁缺陷，因此成為組合結(jié)構(gòu)箱梁的一個(gè)重要發(fā)展方向。近年來(lái)，各地陸續(xù)修建了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁，涉及簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等各種橋型。

1　工程概況

太原市凱旋路南沙河橋梁分為主線橋及兩側(cè)輔路橋，主線橋依次跨過(guò)規(guī)劃路、南沙河及其兩側(cè)搶險(xiǎn)路、朝陽(yáng)街等相交道路、河流，輔路橋跨過(guò)南沙河及其搶險(xiǎn)路與兩側(cè)道路平交，其中，東側(cè)輔橋?yàn)樾陆蛄?，西?cè)輔橋?yàn)楝F(xiàn)狀橋梁改造利用。

新建主線橋及輔橋上部結(jié)構(gòu)均采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋?qū)?6 m，均為單箱三室斷面，梁高2.5 m；綜合考慮橋下景觀，結(jié)合現(xiàn)狀橋跨徑以及河道、道路線位，主線橋上部結(jié)構(gòu)分為三聯(lián)，跨徑布置為(35+2×40+35)+(3×40+35.5)+(32.5+3×40)；輔路橋跨徑布置為4×40 m，下部結(jié)構(gòu)采用雙肢花瓶墩，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波形鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1　主梁構(gòu)造

經(jīng)過(guò)綜合考慮美觀、橋梁橫向受力等問(wèn)題，本橋最終橫斷面為外側(cè)傾斜腹板的單箱三室等截面箱梁，外側(cè)腹板傾角為10°，中腹板為直腹板，見(jiàn)圖1。

箱梁主體結(jié)構(gòu)采用C55混凝土，標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚均為25 cm，支點(diǎn)附近加厚至45 cm，加腋處均高20 cm，鋼腹板豎直方向高度160 cm。

波形鋼腹板PC箱梁橋與常規(guī)的混凝土腹板PC橋相比，抗扭剛度較弱，為提高抗扭剛度和橫向剛度，參考相關(guān)研究資料[1]，箱梁內(nèi)間隔10 m左右設(shè)置一道橫隔板，每跨內(nèi)設(shè)置3道，橫隔板厚35 cm，上、下通過(guò)加腋與頂、底板連接，相應(yīng)位置處鋼腹板上焊接螺栓后澆筑混凝土，橫隔板設(shè)置人洞供施工及檢修使用。端橫梁厚150 cm，中橫梁厚200 cm，橫梁與波形鋼腹板之間設(shè)置3 m長(zhǎng)鋼—混凝土組合式的內(nèi)襯混凝土段，支點(diǎn)附近頂?shù)装逶O(shè)置變厚過(guò)渡段，以利于剛度過(guò)渡。

2.2　預(yù)應(yīng)力體系

箱梁縱向按預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，相較于一般波形鋼腹板箱梁橋，本橋由于跨徑相對(duì)較小，梁高較低，布置體外預(yù)應(yīng)力束的條件有限，難以發(fā)揮體外束的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為避免后期體外束的養(yǎng)護(hù)、檢修，故本橋僅在箱梁頂、底板內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束。

橋梁主要鋼束設(shè)置為：頂板內(nèi)設(shè)置6-12Φs15.2的通長(zhǎng)鋼束，在墩頂附近交錯(cuò)設(shè)置12-13Φs15.2的短鋼束，以滿足墩頂負(fù)彎矩受力要求；底板內(nèi)設(shè)置16-16Φs15.2的通長(zhǎng)鋼束。此外，在邊跨局部調(diào)整鋼束的數(shù)量以適應(yīng)不同跨度的受力要求。鋼束均采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，施工時(shí)首先張拉橫梁鋼束、后張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。

2.3　波形鋼腹板

波形鋼腹板選用交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《組合結(jié)構(gòu)橋梁用波形鋼腹板》中BCSW1600型，水平幅寬430 mm，斜幅水平方向長(zhǎng)370 mm、波高220 mm，彎曲半徑為15t(t為鋼板厚度)，材質(zhì)為Q345D鋼材。

根據(jù)相關(guān)計(jì)算理論[2,3]，波形鋼腹板組合箱梁橋剪力由波形鋼腹板承擔(dān)且剪應(yīng)力均勻分布，由于本橋未設(shè)置體外束，故全部剪力由鋼腹板承擔(dān)，此外，鋼腹板還需滿足剪切屈服穩(wěn)定(包括整體屈曲、局部屈曲、組合屈曲)，經(jīng)計(jì)算確定，不同位置處鋼腹板厚度分別為18 mm,16 mm,14 mm,12 mm。

為方便施工，鋼腹板之間縱向連接時(shí)，首先采用螺栓定位，然后以貼角焊接連接，與上下翼緣板的焊接采用全熔透焊接，為避免疲勞破壞，豎向焊縫與水平焊縫交織處設(shè)過(guò)焊孔。

2.4　波形鋼腹板與混凝土部分的連接設(shè)計(jì)

波形鋼腹板與混凝土的連接部位主要包括：鋼腹板與混凝土頂、底板之間；鋼腹板與混凝土橫梁之間；鋼腹板與內(nèi)襯混凝土段、橫隔板之間。

在波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼腹板與混凝土頂、底板的連接是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，必須有效地控制鋼腹板和混凝土之間的水平剪切力，以確保橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)，兩種不同材料之間不產(chǎn)生相對(duì)位移，同時(shí)，該處還需抵抗由車輪荷載產(chǎn)生的橫向角隅彎矩。

本工程中，波形鋼腹板與混凝土頂板采用T-PBL式(雙開(kāi)孔板式)連接，翼緣鋼板厚(t+2)mm(t=12時(shí)，翼緣鋼板厚16 mm)，開(kāi)孔鋼板厚度為t，孔徑60 mm，孔內(nèi)貫穿直徑25 mm的HRB400級(jí)鋼筋，孔距150 mm；腹板與底板采用S-PBL+焊釘方式連接，翼緣鋼板厚(t+2)mm(t=12時(shí)，翼緣鋼板厚16 mm)，單開(kāi)孔鋼板厚度為t，孔徑60 mm，孔內(nèi)貫穿Φ25橫向鋼筋，孔距150 mm；兩側(cè)按縱向150 mm的間距焊接200 mm長(zhǎng)M22栓釘，見(jiàn)圖2，圖3。

鋼腹板進(jìn)入橫梁時(shí)，采用埋入式連接方式，在平波段上開(kāi)雙排孔，設(shè)置Φ25穿孔鋼筋，同時(shí)設(shè)置一排φ22剪力鍵。

組合箱梁縱向在支座附近設(shè)波形鋼腹板現(xiàn)澆內(nèi)襯混凝土，以保證腹板剪力能有效傳遞至橋墩，并可防止波形鋼腹板屈曲，內(nèi)襯混凝土與波形鋼腹板通過(guò)φ22剪力鍵連接。波形鋼腹板與橫隔板通過(guò)平波段焊接雙排剪力鍵連接。

3　結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)相關(guān)計(jì)算理論，假定鋼腹板與頂、底板之間不發(fā)生滑移；截面應(yīng)變分布符合平截面假定；彎矩全部由混凝土頂?shù)装鍢?gòu)成的截面承受，剪力全部由鋼腹板承擔(dān)且剪應(yīng)力均勻分布，彎矩和剪力不發(fā)生相互作用。

采用橋梁博士軟件對(duì)全橋進(jìn)行計(jì)算，此處以主線橋第一聯(lián)(35 m+2×40 m+35 m)為例，列出主要計(jì)算結(jié)果。

3.1　強(qiáng)度驗(yàn)算

表1　箱梁正截面抗彎承載力驗(yàn)算表

由表1可知，承載能力極限狀態(tài)下，橋梁抗彎承載力驗(yàn)算滿足JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.2　抗裂驗(yàn)算

短期效應(yīng)組合下，跨中底緣應(yīng)力為2.6 MPa壓應(yīng)力；長(zhǎng)期效應(yīng)組合下，截面頂?shù)拙壩闯霈F(xiàn)拉應(yīng)力，均滿足規(guī)范相關(guān)條款的要求。

3.3　撓度驗(yàn)算

表2　箱梁撓度驗(yàn)算表

消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度后，主梁在使用階段的最大撓度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，箱梁在正常使用極限狀態(tài)下?lián)隙闰?yàn)算滿足規(guī)范要求。

3.4　鋼腹板驗(yàn)算

根據(jù)前述計(jì)算假定，全部剪力由4道腹板平均分擔(dān)，18 mm,16 mm,14 mm,12 mm厚度的鋼腹板最大應(yīng)力依次為78 MPa,53 MPa,60 MPa,55 MPa，滿足要求。

此外，經(jīng)計(jì)算，鋼腹板屈曲穩(wěn)定，鋼腹板與混凝土頂、底板連接件的抗剪、抗劈裂、抗滑移等均滿足要求。

4　結(jié)語(yǔ)

該橋?yàn)椴ㄐ武摳拱逑淞簶?，在山西地區(qū)最早的大規(guī)模應(yīng)用，2016年建成通車以來(lái)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況及成橋荷載試驗(yàn)表明，該橋?qū)嶋H性能滿足正常使用要求，為單箱多室波形鋼腹板箱梁橋的應(yīng)用積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李宏江,葉見(jiàn)曙.波形鋼腹板箱梁橫隔板間距的研究[J].公路交通科技，2004(10)：51-54.

[2]DB44/T 1393—2014,波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[3]陳宜言，王用中.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2009.