裝配式波形鋼腹板組合梁設(shè)計(jì)實(shí)例

彭寧斌,溫火麗

（1.吉安市公路勘察設(shè)計(jì)院,江西 吉安 343000; 2.江西聚源建設(shè)工程有限公司,江西 吉安 343000）

0 引言

裝配式梁橋結(jié)構(gòu)因具有工期短、施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用廣泛，常規(guī)的裝配式梁橋一般采用鋼筋混凝土組合梁或混凝土梁形式，近年來(lái)又出現(xiàn)了波形鋼腹板梁形式，對(duì)于跨徑30～70 m的梁橋較為適用，主梁也由厚重的混凝土腹板轉(zhuǎn)變?yōu)楹穸容^薄的波形鋼腹板，結(jié)構(gòu)重量減輕，預(yù)制梁體運(yùn)輸及吊裝過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)化；波形鋼腹板還具備較好的抗剪性和抗裂性，可有效避免混凝土梁橋腹板普遍面臨的斜裂縫病害；橫縱向連接均采取濕接縫形式，省去了現(xiàn)場(chǎng)焊接和涂裝等鋼結(jié)構(gòu)施工工序，施工精度有保證。該文依托具體工程，對(duì)裝配式波形鋼腹板組合梁力學(xué)特性及指標(biāo)設(shè)計(jì)展開(kāi)分析探討，為此類(lèi)橋形在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 工程概況

某大橋主橋采用2孔50 m跨裝配式波形鋼腹板組合箱梁橋設(shè)計(jì)，截面形式為先工后箱，4片工形預(yù)制梁構(gòu)成梁體單幅橫斷面，并通過(guò)濕接縫連接為雙箱單室組合箱梁。全橋箱梁高均為3.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段頂板和底板濕接縫厚度分別為22.0 m和18.0 cm，波形鋼腹板厚度在10.0～12.0 cm之間。該橋梁主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面詳見(jiàn)圖1。頂板為帶翼緣板埋入式構(gòu)件，翼緣板設(shè)計(jì)厚度10.0 mm，埋深19.0 cm；底板為嵌入式構(gòu)件，在鋼腹板和底板頂面連接處設(shè)置2%橫坡，通過(guò)硅膠密封。

圖1 J大橋主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2 波形鋼腹板梁橋力學(xué)特性

波形鋼腹板梁橋與常規(guī)的鋼筋混凝土組合梁或混凝土梁受力特性不同[1]。在波形鋼腹板梁斷面圖（圖2）中，L表示波形鋼腹板梁長(zhǎng)，h表示梁高，h1和h2分別表示截面形心與頂板形心、底部形心的距離；b1、t1分別為混凝土頂板寬度和厚度，A1為混凝土頂板面積；b2、t2則為混凝土底板寬度和厚度，A2為混凝土底板面積；Ag為波形鋼板面積。不考慮抗彎剛度受波形鋼腹板的影響，則截面基本函數(shù)關(guān)系表示如下：

圖2 波形鋼腹板梁橋斷面

不考慮底板自身抗彎剛度的情況下，截面抗彎剛度I為：

截面上下緣應(yīng)力表示為：

式中，σ1、σ2——上下緣應(yīng)力；N——軸力；M——最大彎矩。通過(guò)式（4）可以看出，混凝土底板預(yù)應(yīng)力對(duì)波形鋼腹板梁頂板無(wú)影響，預(yù)應(yīng)力全部施加于混凝土底板，這種力學(xué)特性為梁體應(yīng)力改善提供了可能[2]。

根據(jù)波形鋼腹板組合梁鋼束布置情況，梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)束為直線通長(zhǎng)布置，端部彎起設(shè)計(jì)便于錨固。為解決梁端和跨中較大應(yīng)力差，并向跨中區(qū)域施加較大預(yù)應(yīng)力，在底板處設(shè)置預(yù)應(yīng)力短束，并對(duì)小跨徑梁設(shè)置長(zhǎng)束。負(fù)彎矩鋼束的設(shè)置可提升支點(diǎn)抗裂性能。按照這種設(shè)計(jì)思路，波形鋼腹板梁橋采用全直線鋼束布置，可最大程度減少預(yù)應(yīng)力損失，簡(jiǎn)化施工。

3 裝配式波形鋼腹板梁橋設(shè)計(jì)

3.1 跨徑及箱梁截面形式

參考相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，裝配式波形鋼腹板梁跨徑在30 m以下時(shí)，結(jié)構(gòu)承載力難以得到充分發(fā)揮，且連接件用鋼量在全橋總用鋼量中占比較高，缺乏經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)跨徑超出70 m時(shí)，雖然經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題得到解決，但結(jié)構(gòu)自重、梁高及運(yùn)輸、施工難度均隨之增大，等跨布置也存在較大難度，出現(xiàn)穩(wěn)定性破壞的可能性增大；而當(dāng)跨徑位于30～70 m范圍內(nèi)時(shí)，可充分發(fā)揮裝配式波形鋼腹板組合梁經(jīng)濟(jì)性和適用性等方面的優(yōu)勢(shì)。為此，必須將裝配式波形鋼腹板組合梁跨徑控制在30～70 m之間。

裝配式波形鋼腹板箱梁截面形式有T形、先工后箱、箱形等，具體見(jiàn)圖3。其中T形和先工后箱形式為傳統(tǒng)預(yù)制梁截面形式，對(duì)于橋?qū)捿^小、運(yùn)輸條件受限的橋梁較為適用，梁寬一般為2.5 m。箱形截面形式對(duì)于大寬度、橋梁周邊預(yù)制條件良好的情形適用。結(jié)合工程實(shí)際，該橋梁主要采用先工后箱截面形式。

圖3 裝配式波形鋼腹板箱梁截面形式

3.2 梁高

該裝配式波形鋼腹板組合梁鋼筋混凝土容重及鋼結(jié)構(gòu)容重分別取26 kN/m3和78.5 kN/m3，單片波形鋼腹板梁自重為[26(A1+A2)+78.5Ag]/延米；鋼筋混凝土橋面鋪裝層厚度為10 cm，則其結(jié)構(gòu)自重為5b1/延米；若裝配式波形鋼腹板厚2 cm，則包含剪力連接件的總面積Ag為0.02h；橫梁、橫隔板等構(gòu)件因靠近梁端，故其重量對(duì)跨中彎矩的影響可忽略不計(jì)。則受跨中彎矩作用較大的單片波形鋼腹板梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度恒載qG可表示如下：

因該裝配式波形鋼腹板組合梁采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工工藝，為簡(jiǎn)化活載計(jì)算，按照簡(jiǎn)支狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)結(jié)構(gòu)正彎矩計(jì)算，并按照跨徑將活載集中力均布設(shè)置，車(chē)道間距為3.5 m，活載沖擊系數(shù)取0.1。則單片波形鋼腹板梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度活載qL表示如下：

裝配式波形鋼腹板組合梁每延米恒載和活載和為：

該波形鋼腹板組合梁橋混凝土頂板同時(shí)承受橫向彎矩和車(chē)輛局部荷載，混凝土底板則承受縱向彎矩，故針對(duì)混凝土底板展開(kāi)梁橋結(jié)構(gòu)整體抗彎承載力分析。向混凝土底板施加預(yù)壓應(yīng)力σ，以抵抗恒載與活載，則有：

該裝配式波形鋼腹板組合箱梁混凝土頂板寬度為底板厚度的2倍，假定σ取16.2 MPa，則根據(jù)設(shè)計(jì)要求，底板承托面積為0.1 m2。波形鋼腹板組合梁高和頂?shù)装鍏?shù)的關(guān)系可表示如下：

由式（9）可以看出，裝配式波形鋼腹板組合梁梁高主要受頂板寬度、底板厚度、跨徑等參數(shù)的影響，且梁高受頂板寬度的影響較小，底板厚度則與梁高呈對(duì)數(shù)曲線分布；當(dāng)?shù)装搴穸容^小時(shí)梁高較大且變化明顯，相反，底板厚度較大時(shí)梁高較小且變化不大。

根據(jù)跨徑和梁高的關(guān)系（表1），梁高的確定必須同時(shí)考慮跨高比應(yīng)用限制和頂?shù)装搴穸鹊暮侠硇訹3]，當(dāng)跨徑在30 m以下時(shí)應(yīng)根據(jù)跨高比確定梁高，而當(dāng)跨徑在30～70 m時(shí)，則根據(jù)截面重量控制要求確定梁高。

表1 裝配式波形鋼腹板組合梁跨徑和梁高的關(guān)系

3.3 梁寬

根據(jù)《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3365—05—2022），裝配式波形鋼腹板厚度至少為9 mm，且在剪應(yīng)力控制下鋼腹板承載能力才能有效發(fā)揮。支點(diǎn)剪力與跨中彎矩計(jì)算模式并不相同，橫隔板、齒塊、護(hù)欄等重量確定時(shí)考慮恒載影響，并按照標(biāo)準(zhǔn)梁段截面面積的1.3倍計(jì)入，而活載剪力按照標(biāo)準(zhǔn)梁段截面面積的1.2倍計(jì)入。當(dāng)波形鋼腹板承擔(dān)全部剪力時(shí)，強(qiáng)度破壞的出現(xiàn)會(huì)先于穩(wěn)定性破壞。

在箱形截面下，為提升波形鋼腹板結(jié)構(gòu)的承載力，箱梁寬應(yīng)控制在4～6 m。對(duì)于整孔預(yù)制箱梁，預(yù)制梁寬設(shè)計(jì)值見(jiàn)表2。表中兩車(chē)道高速公路3片梁方案預(yù)制梁寬過(guò)小，波形鋼腹板性能無(wú)法充分利用，濕接縫寬度也較小，會(huì)增大施工難度，故在該情況下推薦2片梁，可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮上下部材料性能。三車(chē)道和四車(chē)道時(shí)均應(yīng)采用3片梁方案，對(duì)應(yīng)的預(yù)制梁體寬度較為合理。

表2 裝配式波形鋼腹板組合梁寬

3.4 頂?shù)装寮袅B接件

波形鋼腹板組合梁剪力連接件的主要作用在于保證波形鋼腹板和混凝土可靠連接，為將連接件用鋼量控制在全橋用鋼量的30%以內(nèi)，提升梁橋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，必須選擇合適的連接件形式。為提升結(jié)構(gòu)安全性，還應(yīng)保證連接件延性和承載力。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)及分析，波形鋼腹板組合梁頂板采用帶翼緣板埋入式連接件，而底板則采用嵌入式連接件，具體形式詳見(jiàn)圖4。

圖4 剪力連接件形式

4 應(yīng)用效果

針對(duì)該高速公路裝配式波形鋼腹板組合梁設(shè)計(jì)方案，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工方式，跨徑控制在30～70 m之間，采用先工后箱截面形式，根據(jù)截面重量控制要求確定的梁高為3.0 m，四車(chē)道時(shí)采用3片梁方案，預(yù)制梁寬5.6 m，濕接縫寬1.07 m。鋼束則采用底板長(zhǎng)束、短束及負(fù)彎矩束等形式。

該大橋主梁B1、B2、B3體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束依次采用2-17Фs15.2 mm、1-17Фs15.2 mm、1-17Фs15.2 mm鋼絞線，T1、T2體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束均采用2-12Фs15.2 mm鋼絞線。就施工工序而言，在工形梁體預(yù)制階段張拉底板束B(niǎo)1，梁體預(yù)制結(jié)束后架設(shè)工形梁，并施工頂板和底板濕接縫。底板束B(niǎo)2、B3和頂板束T1、T2均在箱室內(nèi)部張拉，結(jié)束后結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)支變?yōu)檫B續(xù)。因波形鋼腹板底板預(yù)應(yīng)力鋼束張拉對(duì)頂板應(yīng)力影響不大，故進(jìn)行頂板和底板濕接縫施工時(shí)可調(diào)整施工工藝，先施工底板濕接縫，張拉B2、B3底板束，再施工頂板濕接縫，也可以先施工頂板和底板濕接縫，張拉B2、B3底板束。采用C50強(qiáng)度混凝土，鋼束控制張拉應(yīng)力為1 395 MPa，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG/D60—2015）進(jìn)行恒載、活載、沉降、溫度值的確定。通過(guò)MIDAS/Civil有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬分析，結(jié)果表明，按照該文所確定的參數(shù)值進(jìn)行該裝配式波形鋼腹板組合梁設(shè)計(jì)后最大剪力和抗剪承載力依次取5 320 kN、6 192 kN，正截面抗彎承載力、最大壓應(yīng)力等驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，該文參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際橋梁效果良好。

5 結(jié)論

綜上所述，裝配式波形鋼腹板組合梁能充分利用建筑材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼材、預(yù)應(yīng)力、混凝土等資源的高效配置，并通過(guò)截面形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足裝配化施工要求，剪力連接件的合理設(shè)置有利于降低用鋼量和施工難度，提升結(jié)構(gòu)承載力。通過(guò)該文分析提出，裝配式波形鋼腹板梁橋適宜跨徑應(yīng)為30～70 m，箱梁頂、底板厚度及預(yù)制寬度應(yīng)為18 cm、25 cm和4～6 m。梁頂、底板連接件應(yīng)分別采用翼緣板埋入式和嵌入式兩種形式。以上參數(shù)在該橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用后，預(yù)應(yīng)力效能得到充分利用，主梁自重大大減輕，混凝土用量節(jié)省，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均得到提升。