大跨徑波形鋼腹板剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究

何 光

（山東省濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

波形鋼腹板PC組合箱梁是用波折形薄鋼板代替箱梁混凝土腹板形成的一種新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)，它可以大幅度減輕箱梁的自重，減少下部結(jié)構(gòu)的工程量，從而降低造價(jià)，實(shí)現(xiàn)橋梁的輕型化。波形鋼腹板的手風(fēng)琴效應(yīng)讓波形鋼腹板不承受縱向拉、壓力，縱向彎曲計(jì)算中可不計(jì)入腹板的影響，導(dǎo)致波形鋼腹板PC 箱梁橋剛度較一般PC箱梁要小，波形鋼腹板PC箱梁抗彎剛度約為一般PC箱梁的90%，扭轉(zhuǎn)剛度約為40%，剪切剛度約為10%。工程實(shí)踐證明，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁能夠改善梁根部混凝土腹板開裂、跨中部持續(xù)下?lián)系葐栴}。國內(nèi)外對波形鋼腹板PC組合箱梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究主要集中在抗彎、抗扭、抗剪和結(jié)構(gòu)定性幾方面。由于鋼腹板主要承受剪力，因此應(yīng)重點(diǎn)研究腹板的剪切穩(wěn)定性。本文則主要對大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁的整體縱向彎曲、腹板剪切以及腹板的連接進(jìn)行研究。

1 國內(nèi)外大跨徑連續(xù)梁橋建設(shè)情況

目前，國外已建成主跨100m 以上的波形鋼腹板連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋有很多（見表1），日本的下田橋是最大跨徑波形鋼腹板連續(xù)梁橋，主跨達(dá)136.5m[1]。

表1 國外已建成主跨100m以上的波形鋼腹板連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋

表2 整體縱向彎曲分析結(jié)果

我國已建成的波形鋼腹板橋梁有長征橋（3跨連續(xù)梁18.5m＋30m＋18.5m），潑河大橋（4 跨連續(xù)梁30m＋30m＋30m＋30m），大堰河橋（單跨簡支梁橋，23.7m）。

國內(nèi)正在建造的大跨徑波形鋼腹板梁橋有鄄城黃河公路大橋（主橋?yàn)?0m＋11×120m＋70m 的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋）和深圳南山大橋（跨徑布置為80m+130m+80m的連續(xù)剛構(gòu)橋）。

2 案例橋梁概況

案例大跨徑波形鋼腹板剛構(gòu)橋，起訖里程樁號為：K31+979~K32+803，共20 墩、兩臺21 跨，每跨30~40m，橋長824m，橋面寬24.5m。橋面設(shè)計(jì)高程：333.98~345.24m，設(shè)計(jì)縱坡1.56%。上部構(gòu)造：主橋采用84+2×140+84波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)，下部橋墩采用帶橫梁雙薄壁墩；引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁；下部構(gòu)造：墩及基礎(chǔ)采用柱式墩、樁基，臺及基礎(chǔ)采用“U”型臺和埋置式輕型橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。四車道高速公路，橋梁寬度為2×11.00m（行車道）+2×0.5m（防撞護(hù)欄）+0.5m（分隔帶）=24.5m，設(shè)計(jì)車速80km/h，荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路I級，地震動峰值加速度0.05g，反映譜特征周期0.35s。

橋位區(qū)地形總體上兩橋臺高，中間低，南川臺位于一走向95°的山脊近頂部，地面坡角20°~45°，在坡腳局部為陡壁，近于直立；中間寬緩開闊，地面坡角2°~10°，平安河從中流過，平安河河道寬6~15m，河床平緩，平面上呈“S”形展布；涪陵臺位于一走向21°的陡坡中部，地面坡角40°~60°。橋位區(qū)地面高程約為234.60~370.60m，相對高差為136.00m。

橋址區(qū)下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)新田溝（J2x）組、下沙溪廟（J2xs）組頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖。據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007），將場地鉆探深度內(nèi)的基巖劃分為強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶。砂巖質(zhì)較硬，強(qiáng)度較高，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，為較軟巖；粉砂質(zhì)泥巖、頁巖巖質(zhì)較軟，強(qiáng)度低，抗風(fēng)化能力弱，地表多風(fēng)化呈碎屑狀，層間結(jié)合較差，為軟巖。

3 橋型方案的確定

根據(jù)案例橋梁工程現(xiàn)狀，結(jié)合表1 橋型結(jié)構(gòu)及相應(yīng)跨徑的計(jì)算結(jié)果分析，在現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和荷載標(biāo)準(zhǔn)下，案例橋梁工程采用主跨140m 的波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)方案在技術(shù)上是可行的。

3.1 選擇橋型方案的原則

（1）由于橋梁地面與橋面高差最高達(dá)120多米，所以宜選擇大跨徑的橋梁，將主墩布置在施工方便、地質(zhì)條件較好的位置，選用較合理的基礎(chǔ)型式和施工方案，以降低工程造價(jià)。

（2）橋型方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮施工快捷、簡便，技術(shù)成熟，確保大橋盡快竣工投入使用。

（3）主橋適宜采用較為經(jīng)濟(jì)且施工技術(shù)成熟的方案，同時(shí)采用先進(jìn)的技術(shù)手段，以利于降低工程造價(jià)。

3.2 橋型方案確定

經(jīng)過綜合比較，該橋采用連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橐?，其造價(jià)相對較低，技術(shù)難度不大，便于施工組織，節(jié)省工期。但考慮到預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋目前普遍出現(xiàn)后期跨中下?lián)虾透拱彘_裂問題，特提出采用（84+2×140+84）m的波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋作為推薦方案。

波形鋼腹板PC 箱梁橋的橫斷面多數(shù)采用直腹板，但為了減小橋面板懸挑長度、合理墩臺設(shè)計(jì)、加大箱梁畸變剛度，也可以采用斜腹板斷面。若橋面較寬，其斷面可有3種選擇：單室多箱斷面、單箱多室斷面和帶斜撐的單室斷面[1]。其中，帶斜撐的單室斷面是近年來應(yīng)用較多的斷面形式，但缺點(diǎn)是斷面扭轉(zhuǎn)剛度不大、施工較繁雜，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、可分步作業(yè)、施工工藝合理。與混凝土腹板的PC箱梁相比，波形鋼腹板PC箱梁橫向剛度是比較小的，主要由于腹板面外剛度小于混凝土腹板，橋面板的設(shè)計(jì)彎矩會變大，角耦彎矩變小，角耦彎矩決定翼緣板的焊接部分的焊縫厚度、所以決定斷面形式時(shí)，需充分考慮這些影響因素后再確定橫向斷面形式。

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋跨徑組合為（84+2×140+84）m 波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)，主橋長度448m，邊跨與主跨度的比L1/L2=0.6。波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用了左右幅分幅設(shè)計(jì)，主梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，箱頂寬12m，底寬6m。箱梁腹板設(shè)計(jì)除端橫隔及根部墩上0號和1號采用混凝土腹板或鋼-混凝土組合腹板外，其余節(jié)段腹板均為波形鋼腹板。波形鋼腹板鋼材為Q345qc，其波折形狀按日本標(biāo)準(zhǔn)1600 型采用，厚度為12~24mm，腹板形式為直腹板。

（1）波形鋼板有與平板不同的三維形狀，所以在有梁高變化時(shí)，波形鋼板的切割、翼緣與腹板的焊接作業(yè)等就會變得相對復(fù)雜，從構(gòu)造角度考慮通過加長等梁高區(qū)段利于施工。對于大跨度連續(xù)剛構(gòu)變截面假定是比較合理的，此時(shí)梁底一般設(shè)為1.6~2.0 次拋物線。同時(shí)在支點(diǎn)附近，由于體外索的錨固和轉(zhuǎn)向塊和支撐等設(shè)置的混凝土腹板、橫隔板、橫梁[2]。為了使波形鋼板與混凝土腹板的應(yīng)力均勻傳遞，同時(shí)為了防止鋼板屈曲，應(yīng)在波形鋼腹板內(nèi)側(cè)設(shè)置現(xiàn)澆混凝土里襯，形成鋼-混凝土組合腹板。

該橋箱梁混凝土采用C50。由于波折形狀采用1600型，波形鋼腹板重量比預(yù)應(yīng)力混凝土要輕，結(jié)合有利施工、縮短懸臂澆注周期、降低施工鋼材數(shù)量的原則考慮，主梁懸臂澆注梁段長度劃分為4.8m，最大懸臂澆注梁段重量控制在200t內(nèi)，波形鋼腹板的各節(jié)段之間一般通過高強(qiáng)螺栓或現(xiàn)場焊接的方式連接（如圖1所示）。

圖1 波形鋼腹板之間的連接方式

4.2 結(jié)構(gòu)受力分析驗(yàn)算

4.2.1 整體縱向彎曲分析

我國公路、城市橋梁的抗疲勞驗(yàn)算尚未列入規(guī)范，主要參考日本波形鋼腹板PC 箱梁橋疲勞驗(yàn)算方法、建議車輛荷載計(jì)算應(yīng)力幅、或借用交通量、運(yùn)營狀況調(diào)查確定應(yīng)力幅、頻度，以便進(jìn)行疲勞驗(yàn)算[3]。

橋梁通用軟件Midas 已包含波形鋼腹板的縱向變曲分析內(nèi)容，但關(guān)于波形鋼腹板的屈服、屈曲與連接計(jì)算，需按“日本高速公路設(shè)計(jì)要領(lǐng)”作補(bǔ)充驗(yàn)算?？紤]空間組合結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，參照日本與鄄城黃河橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，Midas 分析時(shí)考慮了2 種工況：懸臂施工狀態(tài)及運(yùn)營狀態(tài)。

4.2.2 波形鋼腹板剪切計(jì)算

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋的豎向剪力假定由波形鋼腹板承擔(dān)，且由于波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗扭剛度較一般預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋要小很多，故設(shè)計(jì)剪力值應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)剪力的疊加。

波形鋼腹板的剪切計(jì)算包括強(qiáng)度計(jì)算（屈服計(jì)算）與屈曲計(jì)算兩部分。屈曲計(jì)算又包括局部屈曲、整體屈曲和組合屈曲3種形態(tài)屈曲驗(yàn)算[4]。一般由強(qiáng)度計(jì)算核定波形鋼腹板的板厚，由局部屈曲核定波形鋼腹板的波幅寬度，由整體屈曲核定波形鋼腹板的波高，即波形鋼腹板的剪切計(jì)算包括了波形鋼腹板主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選定。有關(guān)波形鋼腹板的計(jì)算結(jié)果及采用的參數(shù)見表3所示。從表3可以看出結(jié)果均控制在120MPa之內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)1600型波形鋼腹板，板幅寬a=430mm，波高d=220mm，各參數(shù)見表4所示。

表3 波形鋼腹板的計(jì)算結(jié)果

表4 波形鋼腹板的計(jì)算參數(shù)表

5 結(jié)束語

本文以一座主跨140m 波形鋼腹板剛構(gòu)橋?yàn)槔?，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)受力分析驗(yàn)算等方面進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明：波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接是保證箱梁整體性的關(guān)鍵構(gòu)造，應(yīng)注意保證其縱向抗剪、橫向抗彎性能；波形鋼腹板主要承受剪切力，因腹板剪切應(yīng)力較大且箱梁剪切剛度較小，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意剪切變形對縱向彎曲撓度的影響。由于該橋分兩個(gè)連續(xù)剛構(gòu)橋施工，且左右幅為分幅修建，整個(gè)場地就分為4座橋梁同時(shí)建設(shè)，故應(yīng)合理組織好施工計(jì)劃和安排好施工進(jìn)度。同時(shí)，由于該橋主橋墩高，在施工過程中應(yīng)做好監(jiān)測，確保墩身的垂直度和穩(wěn)定性，以保證施工質(zhì)量，確保整個(gè)工程能及時(shí)竣工并投入使用。