淺談波紋鋼腹板預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的設(shè)計

解冰 羅旭 曲研

一、預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁存在的問題概述

1.預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁下?lián)系脑蚍治?/p>

（1）在橋規(guī)中沒有確定PC梁橋的恒載跨中撓度允許值，通常誤以為簡單用L/600值（L為主跨跨徑）來替代該限制，由此進行設(shè)計容易造成結(jié)構(gòu)變形過大而產(chǎn)生大量裂縫等病害，根據(jù)相關(guān)調(diào)研結(jié)果，應(yīng)明確PC梁橋跨中砼徐變撓度的允許值為L/1600，以此作為控制梁變形的重要指標。

（2）產(chǎn)生初始撓度的主要原因是梁內(nèi)存在彎矩差Me=MT-Mg所致。其中MT是梁內(nèi)預應(yīng)力彎矩，Mg懸臂施工自重彎矩。如果在設(shè)計實行“恒載零彎矩”理論，即有意識使MT=Mg，從而Me≈0，合攏時初始撓度就接近為零，這樣運營后砼徐變撓度ft也不大，就能做到ft≤L/1600，基本不開裂。

（3）適應(yīng)加大梁高（寬度不加）是減少跨中撓度的重要手段。特別要加大跨中梁高，達到支點梁高的1/2水平。泰和贛江公路大橋（155m）是大跨徑公路橋首次有意識采用該方式來控制撓度的橋梁，具有示范性意義。鐵路橋梁很少出現(xiàn)跨中下?lián)线^大的主要原因也是由于其跨中梁高一般取為支點梁高的一半，但目前公路橋普遍采用跨中梁高為支點的1/3。

（4）很多預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁雖然設(shè)置了預拱度，但是由于沒有消除梁內(nèi)彎矩差Me，因此它就不能改變砼徐變下?lián)系慕^對值，只能改善橋面線型，當預拱度值越大則以后下?lián)系某潭纫苍酱蟆?/p>

2.預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁腹板開裂的主要原因分析

眾所周知，中小跨徑PC箱梁腹板開裂是長期普遍存在的病害，綜合歸納國內(nèi)研究成果，其原因主要如下：

（1）砼材料性能差。砼材料的容許抗剪應(yīng)力[τ]=-2.7MPa，容許主拉應(yīng)力[σ]=-3.2MPa，僅為容許壓應(yīng)力[σ]=19.5MPa的（1/7-1/6），這是砼材料先天性的缺陷。

（2）工藝不當。箱梁腹板常用精軋螺紋粗鋼筋豎向預應(yīng)力來彌補腹板抗剪能力的不足。但國產(chǎn)高強精軋螺紋粗鋼筋的生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，在工藝上不能實現(xiàn)多次重復補張拉，造成設(shè)計的豎向預應(yīng)力失效，這是腹板開裂的重要原因之一。

（3）設(shè)計計算存在問題。國內(nèi)橋梁行業(yè)的工程實踐表明，PC連續(xù)梁的主拉應(yīng)力驗算經(jīng)常在計算中被忽視，使得腹板存在開裂的隱患。

（4）超重車的管制不足。在國內(nèi)，總重130t～150t的超重車在公路和橋梁上屢禁不止，大大超出了橋規(guī)的設(shè)計標準車的重量，這也是造成腹板開裂的原因。

二、波形鋼腹板預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的崛起與發(fā)展

由于波形鋼腹板具有優(yōu)異的抗剪性能，能夠徹底解決砼腹板開裂的頑癥，通過加大梁高來提高抗彎剛度，能有效地控制跨中持續(xù)下?lián)?，克服了PC箱梁的兩大弊病，促進了大跨度連續(xù)梁橋的發(fā)展。上世紀90年代，日本在引進波形鋼腹板PC組合箱梁后，對其進行了深入研究和推廣發(fā)展，成為世界上修建此類橋梁最多的國家，迄今為止已經(jīng)建成200余座。目前日本新名神高速安威川橋（主跨170m）為世界上最大跨徑波形鋼腹板PC剛構(gòu)橋。

我國90年代末才引進波型鋼腹板-PC箱梁研究，起步較晚但發(fā)展迅速，在21世紀中旬才相繼建成第一座人行橋（江蘇淮海長征橋）。2005年建成河南潑河大橋（47+52+47=146m）是第一座高速公路波腹PC連續(xù)梁橋。2011年竣工的山東鄄城黃河大橋（70+11×120+70=1460m），是第一座采用懸臂澆筑連續(xù)梁橋，也是世界上最長和最大規(guī)模的連續(xù)梁。該橋建成標志著中國波形鋼腹板-PC箱梁橋已進入世界先進水平之列。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中國已建成各類波形鋼腹板-PC箱梁近30座，正在施工和籌建的近40座?？梢灶A見中國正邁入一個新的發(fā)展階段，波形鋼腹板PC組合箱梁應(yīng)用的春天正在形成。

波形鋼腹板-PC箱梁橋在國際上屬成熟技術(shù)，但在我國還屬于新技術(shù)推廣應(yīng)用階段。目前大多數(shù)為支架現(xiàn)澆連續(xù)梁，在斜拉橋和拱橋等橋型推廣剛起步；施工方法已實施簡支吊裝、掛籃懸澆和頂推等工藝。綜合評定中國波形鋼-PC箱梁橋的設(shè)計和施工水準，屬發(fā)展初期，以學習日本經(jīng)驗為主，在自主創(chuàng)新方面做得不夠：目前波形鋼腹板連續(xù)梁的跨徑L不超過160m，單箱單室的橋?qū)扡不大于18m。與PC箱梁橋比較，波形鋼腹板僅減輕腹板重量20%，對于大跨徑橋梁而言，其節(jié)省效果不明顯。在我國山區(qū)尤其是西部山區(qū)高速公路中的高墩大跨橋梁工程中，迫切需要波形鋼腹板-PC剛構(gòu)橋200m橋跨以上的突破。

應(yīng)當指出，目前在建的波形鋼腹板-PC箱梁橋設(shè)計中，還沒有考慮“懸臂施工恒載零彎矩設(shè)計”。例如，山東鄄城黃河公路橋合攏前初始撓度按L/600為限值控制，導致其剛度不足，在砼徐變作用下，跨中撓度將持續(xù)增長，可能會出現(xiàn)類似于PC連續(xù)箱梁的病害情況。

三、雙肢波形鋼腹板預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的提出及設(shè)計方案

1.雙肢波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁概述

日本國土狹窄，修建大跨徑波形鋼腹板PC箱梁的經(jīng)驗其實也不算多（豐田巴川橋的連續(xù)梁最大跨徑L=164m）。目前，制約波形鋼腹板-PC箱梁跨徑發(fā)展的關(guān)鍵在于單肢波形板屈曲失穩(wěn)問題，從而導致波紋鋼腹板的豎向高度h沒有突破10m，進一步影響該類橋的梁高及跨越能力。日本在建安威川橋腹板最大高度h=9.55m，相應(yīng)最大跨徑L=170m，這還遠不能滿足目前對波紋鋼腹板-PC箱梁在跨越能力上的期望，迫切需要解決波形鋼腹板的屈曲失穩(wěn)問題。

華東交通大學上官興、徐海燕教授自2010年以來，組織三位研究生對雙肢并列的波形鋼腹板進行了系統(tǒng)研究，其中腹板的間距2m左右，其間用套筒螺栓沿高度布置來減少波形鋼板的自由長度，并按恒載零彎矩理論所得到的跨徑與梁高的關(guān)系。研究表明實現(xiàn)恒載懸臂施工“零彎矩”，所需要的支座梁高在（L/16）到（L/12）之間（L為主跨跨徑），大于一般預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的取值L/18。此外，由于波形鋼腹板重量只有砼的1/9，故適當加大腹板高度既不會顯著地增加結(jié)構(gòu)的自重，又能增大截面的抗彎性能及加大梁內(nèi)預應(yīng)力的效果。

2.初擬雙肢波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁設(shè)計方案

以某大橋的初步設(shè)計為背景，擬定雙肢波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁的設(shè)計方案，考慮到該橋的單孔通航凈寬為136m，凈高為8m，水流中心與橋縱軸成97 斜交，擬將主跨跨徑定為180m。該方案橋?qū)挒?6m，橫橋向共設(shè)置兩組四條1600型的波形鋼I字梁腹板。雙肢波形鋼腹板的間距為2.0m，支點梁高取12m，跨中梁高6m，當腹板高度超過6m時，兩肢波形鋼腹板沿豎向每2.5m設(shè)置一道套筒螺栓，以減小高度方向的自由度。對梁高超過7m的梁段，在雙肋波形鋼之間回填C50砼，用以降低截面重心和增大頂板預應(yīng)力的力臂，并通過這種做法解決了波形鋼腹板的屈曲失穩(wěn)問題。

四、結(jié)語

綜上所述，可得到以下結(jié)論：

1.造成國內(nèi)大跨度預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨中下?lián)虾透拱彘_裂的主要原因為跨中梁高設(shè)置不足，設(shè)計沒有踐行“恒載零彎矩”的理念，超重車的違規(guī)行駛等。

2.波紋鋼腹板自重輕，剛度大，抗剪能力強，非常適合于大跨度連續(xù)箱梁的應(yīng)用，但由于單肢波紋鋼腹板的屈曲失穩(wěn)問題，制約其發(fā)展，且目前國內(nèi)外尚缺少大跨度波紋鋼腹板連續(xù)箱梁的設(shè)計經(jīng)驗。

3.通過采用雙肢波紋鋼腹板的方式，輔以相應(yīng)的構(gòu)造措施，可解決波形鋼腹板的屈曲失穩(wěn)問題，但目前業(yè)內(nèi)需要加強該種橋型的工程實踐，進一步提高其跨越能力，為我國的交通建設(shè)事業(yè)服務(wù)。