波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋
——運寶黃河大橋副橋設(shè)計簡介

李 鵬

（山西交通科學(xué)研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋最早由法國人在20世紀80年代初設(shè)計和建造，我國也于2005年建造了國內(nèi)第一座波形鋼腹板組合梁橋——江蘇淮安長征人行橋[1]。目前，我國在波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋方面迅速發(fā)展，這種橋型結(jié)構(gòu)也逐步向大跨度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式方面突破。

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋的顯著特點是采用波形鋼腹板代替了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的混凝土腹板，這樣能夠減輕20%～30%的上部結(jié)構(gòu)自重，從而減輕下部結(jié)構(gòu)工程量，改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能，相應(yīng)地也降低了工程造價[2]。而且波形鋼腹板本身具有手風(fēng)琴效應(yīng)，其縱向抗拉壓剛度很小，截面彎矩僅由頂?shù)装鍢?gòu)成的斷面抵抗，而剪力則完全由鋼腹板承擔(dān)，波形鋼腹板幾乎不對箱梁縱向預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生抵抗，極大地提高了預(yù)應(yīng)力效率[1]。另外，波形鋼腹板采用工廠化加工，省去了混凝土腹板的鋼筋綁扎和模板拼裝，減少現(xiàn)場施工作業(yè)，可大幅加快施工速度，有效縮短工期。不難看出，這種組合梁橋的優(yōu)勢在于能夠減少工程量，降低成本，縮短工期，提高經(jīng)濟效益。

本文以目前國內(nèi)已建成的最大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋運寶黃河大橋副橋為例，介紹波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋的設(shè)計理念和設(shè)計思路。

1 項目概況

運寶黃河公路大橋是一座橫跨黃河的特大橋梁，位于山西與河南兩省交界處，它是規(guī)劃建設(shè)的運城至靈寶高速公路的一個重要控制工程。大橋橋孔布置為：4×40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁引橋＋（110＋2×200＋110）m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉主橋＋（48＋9×90＋48）m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁副橋，副橋橋型布置圖見圖2。

圖1 波形鋼腹板箱梁示意圖

圖2 橋型布置圖（單位：m）

該橋主要技術(shù)指標如下：

a）公路等級 六車道高速公路。

b）設(shè)計荷載 公路-Ⅰ級。

c）設(shè)計行車速度 80 km/h。

d）設(shè)計洪水頻率 1/300。

e）橋面凈寬 2×凈14.5 m。

f）地震動峰值加速度 0.182g。

g）設(shè)計安全等級 一級。

h）環(huán)境類別 Ⅱ類。

i）橋梁設(shè)計基準期 100年。

2 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

2.1 計算要點

該橋總體縱向計算采用Midas Civil，根據(jù)波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋的受力特點做了如下假定：

a）平截面假定，即波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的豎向彎曲平截面假定成立，鋼腹板與混凝土頂、底板共同參與受力，不會發(fā)生相對滑移，且剪應(yīng)力沿高度均勻分布。

b）不考慮波形鋼腹板的縱向抗彎。波形鋼腹板在縱向由于手風(fēng)琴效應(yīng)，可以自由伸縮，縱向抗拉壓剛度很小，其截面剛度和慣性矩計算可僅考慮頂?shù)装?。波形鋼腹板箱梁橫斷面及應(yīng)力分布見圖3。

圖3 波形鋼腹板箱梁橫斷面及應(yīng)力分布圖

該橋為剛構(gòu)-連續(xù)組合梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)計算時，對固接橋墩、承臺、樁基按實際構(gòu)造尺寸模擬，用土彈簧考慮樁-土相互作用效應(yīng)，對連續(xù)墩則按設(shè)置滑動支座考慮。

2.2 主梁

主梁采用單箱單室斷面，頂板寬15.5 m，頂板厚0.3 m，底板寬8.5 m，懸臂長3.5 m。設(shè)計中，波形鋼腹板PC箱梁梁高取同等跨徑PC混凝土箱梁梁高的上限，該橋跨中梁高為2.7 m，根部梁高為5.5 m，底板厚由0.3 m漸變?yōu)?.8 m，箱梁梁高和底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁在邊跨設(shè)置2道橫隔板，在中跨設(shè)置4道橫隔板，橫隔板厚0.3 m，根據(jù)波形鋼腹板長度要求，箱梁劃分為3.2 m和4.8 m兩種節(jié)段。主梁采用C55混凝土，波形鋼腹板、抗剪連接件等波形鋼腹板體系采用Q345qDNH耐候鋼，箱梁跨中和根部斷面見圖4。

圖4 箱梁斷面圖（單位：cm）

為了提高支點截面的抗剪能力，在端橫梁和中橫梁附近一定范圍內(nèi)要設(shè)置內(nèi)襯混凝土，一般內(nèi)襯混凝土的長度不小于相交截面高度的1.2倍。該橋端橫梁附近內(nèi)襯混凝土長4.4 m，中橫梁附近內(nèi)襯混凝土長6.8 m，波形鋼腹板與內(nèi)襯混凝土采用焊釘進行連接，波形鋼腹板與橫隔板之間采用Twin-PBL連接鍵連接，見圖5。

圖5 內(nèi)襯混凝土及波形鋼腹板平面布置圖（單位：cm）

2.3 波形鋼腹板

波形鋼腹板是按剪切屈服前不發(fā)生剪切屈曲，極限荷載作用時不發(fā)生剪切屈服，并且考慮橋梁橫向剛度等因素來確定其形狀。常用的波形鋼腹板按波長分為1000型、1200型和1600型。該橋波形鋼腹板采用1600型，具體構(gòu)造尺寸見圖6。波形鋼腹板的厚度一般不小于8 mm，該橋腹板厚度采用16 mm和14 mm兩種厚度。出于結(jié)構(gòu)耐久性以及降低工程造價角度考慮，該橋波形鋼腹板采用耐候鋼。

圖6 波形鋼腹板構(gòu)造圖（單位：mm）

2.4 波形鋼腹板與頂、底板連接

橋梁運營時，應(yīng)保證波形鋼腹板與頂、底板之間的有效連接。必須控制鋼材和混凝土兩種材料之間的縱向水平剪力，使這兩種材料之間不會發(fā)生相對滑移。因此，波形鋼腹板與頂、底板的連接設(shè)計非常重要。

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁常見的連接形式有栓釘連接鍵、埋入式剪力鍵、S-PBL與栓釘組合連接鍵和Twin-PBL連接鍵，見圖7。

圖7 波形鋼腹板組合箱梁常見連接形式

該項目波形鋼腹板與底板之間采用外包式連接鍵，波形鋼腹板與頂板連接則采用的是目前比較常見的Twin-PBL連接鍵。這種外包式連接鍵沿縱橋向每隔40 cm在波形鋼腹板和底板相接處設(shè)置一道加勁鋼板，波形鋼腹板和加勁鋼板的連接則由沿縱橋向設(shè)置的一塊水平托底鋼板來完成。通過這種外包式連接很好地解決了波形鋼腹板與底板連接造成的局部開裂問題，外包式連接鍵見圖8（圖中未示意出底板普通鋼 筋與托底加勁鋼板之間的連接）。

圖8 外包式連接鍵（單位：cm）

2.5 預(yù)應(yīng)力體系

2.5.1 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋采用波形鋼腹板代替混凝土腹板，這樣預(yù)應(yīng)力僅能在頂、底板混凝土內(nèi)布置。但是由于混凝土截面面積有限，布設(shè)的預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量受到限制，為滿足結(jié)構(gòu)受力的需要，在箱體內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力束。體外預(yù)應(yīng)力束采用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，在運營階段能夠更換，提高了橋梁的耐久性和安全性。體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力束的配置原則是：體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束承擔(dān)自重、橋面鋪裝及護欄等產(chǎn)生的二期荷載等永久作用，體外預(yù)應(yīng)力束承擔(dān)汽車荷載等可變作用，該橋預(yù)應(yīng)力束布置見圖9。

圖9 預(yù)應(yīng)力束布置（單位：cm）

該橋頂板束采用21-φs15.2，邊跨底板束采用15-φs15.2，中跨底板束采用19-φs15.2，其標準抗拉強度1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力1 395 MPa，混凝土強度達到設(shè)計強度的90%后方可張拉鋼束。體外預(yù)應(yīng)力束采用符合國家標準《單絲涂覆環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線》（GB/T 25823—2010）規(guī)定的環(huán)氧涂層鋼絞線生產(chǎn)的成品索，每束采用19根15.2 mm鋼絞線，標準抗拉強度1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力1 116 MPa，配套管道采用HDPE。

2.5.2 體外束的轉(zhuǎn)向裝置

體外束在跨徑內(nèi)與混凝土梁體之間的聯(lián)系靠轉(zhuǎn)向裝置來實施，由于受到較大的集中力和預(yù)應(yīng)力束的摩阻力，其受力較為復(fù)雜。從鋼絞線的受力角度，體外束轉(zhuǎn)向器的彎曲半徑越大越有利，但過大彎曲半徑帶來的問題是轉(zhuǎn)向器的尺寸就越大，這樣導(dǎo)致了橋梁自重的增加。所以在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，要盡量減小轉(zhuǎn)向器的彎曲半徑。該項目設(shè)計中采用的原則是轉(zhuǎn)向塊處體外束的彎折角小于15°，轉(zhuǎn)向器大樣見圖10。

圖10 轉(zhuǎn)向裝置（單位：cm）

2.5.3 減振器裝置

應(yīng)對體外束的兩個轉(zhuǎn)折點或錨固點與彎折點之間的自由段長度加以限制，以免微振磨損，目前一般采用設(shè)置防振動裝置的方式來加以避免?！稛o粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 92—2004）規(guī)定的體外預(yù)應(yīng)力束的自由長度最大不超過8 m，減振器的縱向布置見圖9，大樣圖見圖11。

圖11 減振器裝置（單位：mm）

3 結(jié)語

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋能夠減少工程量、降低成本、縮短工期、提高經(jīng)濟效益，在國內(nèi)橋梁界越來越受重視。運寶黃河大橋主橋是目前世界第一大跨波形鋼腹板矮塔斜拉橋，副橋為90 m主跨波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，這座橋梁的建成對以后同類橋梁的建設(shè)能提供寶貴的設(shè)計和施工經(jīng)驗，本文的介紹可促進這類橋型的推廣應(yīng)用。