大跨雙肢波形鋼-RPC剛構橋跨度研究及結構試設計

官潤榮,上官兵,解 冰

(1.廣東省冶金建筑設計研究院有限公司, 廣州 510080;2.廣東冶建施工圖審查中心有限公司, 廣州 510080)

0 引言

波形鋼腹板組合梁橋因其較PC梁橋具有自重輕、無腹板開裂、經(jīng)濟性好等優(yōu)點[1]，在國內外工程中的應用越來越廣泛，但此類橋梁普遍跨度偏小[2]。目前世界上輕質混凝土梁橋跨徑記錄為主跨301m的挪威Stolma橋[3]，國內PC梁橋跨徑記錄為主跨270m的虎門大橋輔航道橋[4]。而目前正在建設的最大跨徑波形鋼腹板組合梁橋—浙江杭紹甬高速公路上的曹娥江特大橋，主跨僅188m[5]，遠小于已建成的PC梁橋。董紅飛[6]研究了不同腹板高度大跨徑波形鋼-RPC梁橋的剪切屈曲問題，得出腹板屈曲是影響橋梁跨徑提升的主要影響因素。馬利斌[7]等通過對大跨徑波形鋼腹板剛構橋的設計與分析計算，得出合理地選用結構尺寸形式能使此類橋梁在大跨徑橋梁中更具技術優(yōu)勢。相對于PC梁橋，波形鋼腹板橋自重輕，且由于波形鋼的褶皺效應，使箱梁縱向預應力全部集中作用于頂、底板上，預應力效率更高，理論上此類橋梁的跨度可以提升至PC梁橋的跨度。

本文通過對影響該類橋梁跨度的主要影響因素進行分析，提出解決限制其跨度增長關鍵問題的具體措施，并以155m+270m+155m雙肢波形鋼-RPC剛構橋為對象，通過結構試設計、理論分析計算，得出波形鋼腹板-RPC橋梁能夠向更大跨度發(fā)展的結論。

1 影響波形鋼腹板組合梁橋跨度的主要因素

1.1 結構自重

大跨度梁橋荷載效應中，恒載占比高達90%[8]，恒載中又以結構自重為主要影響因素。波形鋼腹板箱梁與PC梁橋的整體受力性能相似，僅鋼腹板等局部受力性能不同。常規(guī)波形鋼腹板梁橋與PC梁橋相比，采用8mm～30mm鋼腹板代替PC結構30cm～80cm厚的混凝土腹板，腹板重量減輕約80%[2]，推算出整個結構自重減輕約20%。同理，若通過采用高強材料如RPC面板替代PC橋面板，即減薄頂板厚度，結構自重可進一步減輕。如此，波形鋼腹板橋的跨度可以進一步加大，理論上可以超過PC梁橋。

1.2 波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性

2 提高波形鋼腹板穩(wěn)定性的技術措施

常規(guī)波形鋼腹板梁橋中，提高腹板穩(wěn)定性的主要措施有鋼板內側施工內襯混凝土、增加連接處梗腋混凝土高度、增加鋼板厚度等三種方式，如圖1～圖3所示。但隨著跨度進一步加大，三種方式都存在一定的不足。采用內側加混凝土內襯及增加連接處梗腋混凝土高度的方式將會大大增加梁體自重，進而制約跨度發(fā)展；而增加鋼板厚度將增加鋼板制作加工的難度，鋼板太厚還易出現(xiàn)焊接困難及厚板撕裂等問題，鋼板厚度受到一定的限制。

圖1 增加內襯混凝土

圖2 增加梗腋高度

圖3 增加鋼板厚度

由上述分析可知，三種常見的防失穩(wěn)措施均存在不足。本文提出另外一種措施對波形鋼腹板進行優(yōu)化設計，采用雙肢波形鋼腹板形式替代厚鋼板，雙肢波形鋼板間增加加勁板(圖4)。橋梁橫截面可通過采用不同肢數(shù)、不同鋼板厚度的變化方式，以適應斷面受力及腹板穩(wěn)定性的要求。經(jīng)優(yōu)化后，理論上解決了鋼腹板的穩(wěn)定性問題。

圖4 雙肢鋼腹板

3 結構試設計

根據(jù)以上影響跨度因素的分析可知，通過減輕橋梁自重及采取措施解決波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定問題后，此類橋梁的跨度在理論上可以達到PC梁橋的跨度?？紤]到目前國內既有PC梁橋最大跨徑為270m的情況，本文選取155m+270m+155m跨徑雙肢波形鋼-RPC為對象進行試設計。

試設計的橋梁為155m+270m+155m三跨變截面連續(xù)剛構，采用掛籃懸臂澆筑的施工方法。主梁縱向懸臂劃分為15個節(jié)段，其中0#節(jié)段長16.8m，為混凝土斷面。其它鋼腹板節(jié)段長為4×7.2m+10×9.6m，邊、中跨合龍段長為3.6m，邊跨支架施工段長17.95m。

箱梁橫斷面采用單箱單室，頂板寬15.75m，底板寬9.5 m，翼緣懸臂長3.5m，懸臂根部板厚55cm，端部板厚15m。墩頂梁高15m，高跨比1/18；跨中梁高6m，高跨比1/45。主梁0號塊采用混凝土截面，其余節(jié)段根據(jù)腹板高度的不同采用雙肢、單肢波形鋼腹板截面。雙肢截面兩肢橫向間距1.0m，方便后續(xù)檢修。雙肢截面中每側波形鋼腹板間根據(jù)截面高度情況，按不大于4.5m高度的原則加設一道或兩道鋼板，以滿足屈曲穩(wěn)定的需要。典型橫斷面如圖5～圖7所示。

圖5 0#塊橫斷面(單位：cm)

圖7 跨中橫斷面(單位：cm)

主墩為雙肢薄壁矩形墩，墩高50m，單肢截面9m×3m，薄壁墩縱向中心間距6m。承臺為22.0m×17.5m矩形截面，厚6m。基礎為樁基礎，單墩采用12根直徑2.5m的鉆孔樁。

波形鋼腹板采用抗力強度為275MPa、抗剪強度為160MPa的Q345鋼材，型號為1600型，波高220mm，水平寬度430mm，水平折角30.70，彎折內徑R為1 200mm。鋼板厚度根據(jù)受力要求采用12～24mm。頂板采用RPC材料，材料等級為RPC160，材料性能參照《活性粉末混凝土》(GB/T 31387)[11]及《無腹筋預應力超高性能混凝土梁橋技術規(guī)范》(T/GDHS 003-2021)[12]中超高性能混凝土強度U160等級的相應取值，其抗壓強度設計值為77.2MPa，抗拉強度設計值為5.3MPa。底板采用C60普通砼，設計強度根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362-2018)[13]選取。預應力束采用低松弛鋼絞線，標準強度為1 860MPa，材料符合《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T 5224-2014)[14]技術要求。

4 計算分析

4.1 計算模型

采用MIDAS軟件建立有限元模型。全橋共劃分節(jié)點96個，單元88 個，其中上部結構80個單元，下部結構8個單元。結構離散圖如圖8所示，斷面如圖9～圖10所示。

圖8 有限元模型離散圖

圖9 0#塊截面

圖10 跨中截面塊截面

4.2 主要參數(shù)

雙肢截面采用鋼腹板厚度疊加的形式模擬，即雙肢截面采用單肢鋼板模擬，鋼板厚度為雙肢鋼板厚度之和。

預應力束采用低松弛鋼絞線，松弛系數(shù)為0.3，材料強度為1 860MPa。體內束型號為φs15.2-37、φs15.2-35、φs15.2-19、φs15.2-12等四種，體外束型號采用φs15.2-46。

橫隔重量以節(jié)點荷載加載，二期荷載(橋面鋪裝+防撞墻)為53.9kN/m，整體升降溫、溫度荷載按規(guī)范選取，梯度溫度荷載按上鋪10cm瀝青混凝土鋪裝取值，汽車活載按最多4車道布置，主墩基礎豎向沉降按10mm計入。

施工階段劃分為15個節(jié)段，節(jié)段分塊如圖11～圖12所示。掛籃荷載取最大節(jié)段重量(第5#節(jié)段)的一半考慮，取值2 474kN，以集中力施加于節(jié)段端部，如圖13所示。濕重荷載以力及力矩的形式加載，如圖14所示。

圖11 邊跨施工節(jié)段劃分(單位：cm)

圖12 1/2中跨施工節(jié)段劃分(單位：cm)

圖13 掛籃荷載

圖14 1#節(jié)段濕重

4.3 部分計算結果

4.3.1 抗彎承載力

正截面抗彎承載力彎矩包絡圖如圖15所示，正截面抗彎承載力驗算結果見表1。

表1 抗彎承載力

圖15 主梁抗彎承載力包絡圖

驗算結果表明，結構抗彎承載能力滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)的技術要求。

4.3.2 正應力

持久狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)計算顯示，主梁上下緣均未出現(xiàn)拉應力，所有截面滿足全預應力混凝土構件正截面抗裂的技術要求。短暫狀況構件應力計算顯示，所有截面均滿足規(guī)范技術要求。正應力驗算結果見表2。

表2 正應力驗算結果

驗算結果表明，結構正應力滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)的技術要求。

4.3.3 剪應力

支點截面波形鋼腹板在極限荷載下的剪應力見表3。

表3 極限荷載下的剪應力

驗算結果表明，腹板剪應力滿足《波形鋼腹板組合梁橋技術標準》(CJJ/T 272-2017)的技術要求。

4.3.4 撓度

跨中撓度計算結果為271mm，限值(L/600)為450mm。

驗算結果表明，結構撓度滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362-2018)的技術要求。

5 橋梁主要參數(shù)對比

為了分析本文試設計橋梁的材料經(jīng)濟性指標，對比了國內已建跨徑相同的PC橋梁的參數(shù)，見表4。

由表4可見，大跨波形鋼腹板橋較常規(guī)PC增加了波形鋼腹板及RPC的用量，但其它預應力材料、混凝土材料及普通鋼筋的用量指標降低。綜合表4中材料指標及市場材料單價可以計算得出試設計的大跨波形鋼腹板RPC橋較虎門大橋輔航道橋的工程造價節(jié)省約3%。雖然大跨徑波形鋼腹板RPC橋對比常規(guī)PC橋的經(jīng)濟性能優(yōu)勢不太明顯，但此類橋梁可以解決常規(guī)PC橋出現(xiàn)的腹板開裂及跨中下?lián)系炔『Γ哂型茝V應用的意義。

表4 橋梁主要參數(shù)對比

6 結語

(1)波形鋼腹板梁橋與PC梁橋的整體受力性能相似，僅鋼腹板等局部受力性能不同。結構自重和腹板屈曲穩(wěn)定是影響波形鋼腹板梁橋跨度的兩個影響因素。通過采用RPC頂板、雙肢波形鋼腹板等方式減輕結構自重，采用雙肢波形鋼腹板形式并在雙肢腹板間增加加勁板等措施解決腹板穩(wěn)定性問題后，理論上波形鋼腹板梁橋的跨度可提升至PC梁橋的跨度。

(2)對155m+270m+155m三跨連續(xù)剛構橋進行試設計及建立有限元模型分析計算。計算結果表明：結構的各項指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術要求，結構試設計擬定的尺寸基本合理，結構跨度可達到270m。

(3)箱梁頂板采用高強材料減薄橋面板厚度，減輕結構重量，結構整體受力得到進一步改善。若波形鋼腹板橋底板的厚度采取減薄措施或也采用RPC材料后，橋梁的跨徑有望可進一步加大甚至超過300m。

(4)對比國內已建跨徑相同的常規(guī)PC梁橋，大跨徑波形鋼腹板RPC橋的經(jīng)濟性能優(yōu)勢不太明顯，但此類橋梁可以解決常規(guī)PC橋出現(xiàn)的腹板開裂及跨中下?lián)系炔『?，具有推廣應用的意義。