波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥.docx

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波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥

波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥

——山东鄄城黄河公路主桥工程简介

王健1孟磊2王用中3

在建鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大桥梁，地处山东省南部鄄城县以北，位于山东与河南两省交界处，它是规划建设的德（州）至商（丘）高速公路的一个重要控制工程。

大桥桥孔布置为（由北向南）：

9×50m折线配筋先张预应力砼简支T梁桥面连续＋（70m＋11×120m＋70m）波形钢腹板预应力砼连续箱梁＋58×50m折线配筋先张预应力砼简支T梁桥面连续。

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥于上世纪八十年代由法国开发，此后在日本得到推广应用，截止2008年底已建在建该类桥梁总数已达130多座，目前已为日本高速公路普遍使用的桥梁形式。

表1列出了近年来日本兴建的12座规模较大的波形钢腹板预应力砼桥。

在我国，波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁成规模的应用，鄄城桥尚属首次。

70m＋11×120m＋70m这样的多跨大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁在规模上亦突破了法国、日本的现有纪录。

本文将较详细的介绍其有关情况，以飨读者。

表1日本波形钢腹板桥

编号

桥梁名

施工方法

构造形式

桥长（m）

跨径布置（m）

竣工年份

1

矢作川桥（东）

悬臂施工

4跨预应力斜拉桥

820.0

173.4＋2×235.0＋173.4

2005

2

日见梦大桥

悬臂施工

4跨部分斜拉桥

495.0

137.6＋170.0＋115.0＋67.6

2003

3

朝比奈川桥

悬臂施工

7跨预应力连续刚构

670.7

81.2＋150.4＋91.2＋73.2＋94.7＋104.8＋73.2

2008

4

宫家岛高架桥

悬臂施工

23跨预应力连续粱

1432.0

51.2＋7×53.0＋54.0＋85.0＋53.0＋3×52.0＋58.5＋60.0＋101.5

2007

5

栗东桥

悬臂施工

4跨部分斜拉桥

495.0

137.6＋170.0＋115.0＋67.6

2008

6

上伊佐布第三高架桥

悬臂施工

5跨预应力连续刚构

449.0

53.0＋105.0＋136.0＋99.0＋53.0

2007

7

谷津川桥

悬臂施工

5跨预应力连续粱

383.5

43.8＋91.0＋135.0＋74.0＋37.3

2008

8

中一色川桥（上）

悬臂施工

5跨预应力连续粱

535.4

71.3＋3×130.0＋71.3

2007

9

菱田川桥

悬臂施工

8跨预应力连续刚构

688.0

64.9＋3×105.0＋124.0＋75.0＋54.0＋52.9

2008

10

入野高架桥

支架施工

10跨预应力连续粱

679.0

56.7＋3×58.0＋80.0＋124.0＋80.0＋2×58.0＋45.7

2007

11

前川桥

悬臂施工

5跨预应力连续粱

500.0

76.8＋120.0＋104.0＋120.0＋76.8

2008

12

池山高架桥

悬臂施工

10跨预应力连续刚构

941.0

46.5＋104.0＋114.0＋99.0＋4×106.5＋98.0＋50.5

2006

13

中一色川桥（下）

悬臂施工

6跨预应力连续粱

574.3

62.8＋3×112.0＋110.5＋61.3

2007

图2波形钢腹板箱梁示意图

1.波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥结构特点与技术优点

顾名思义，波形钢腹板预应力混凝土箱形梁就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。

其显著特点是用10mm左右厚的钢板取代厚30～80cm厚的混凝土腹板。

鉴于顶底板预应力束放置空间有限，导致体外索的应用则是波形钢腹板预应力混凝土箱梁的第二个特点。

两个构造特点使波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁与预应力混凝土箱梁桥相比有如下优点：

（1）经济效益显著，抗震性能好：

采用波形钢腹板代替厚重的砼腹板，减轻了上部结构的自重20～30%,从而使使上、下部结构的工程量获得减少，降低了工程总造价。

由于上部构造的减轻、波形版的褶皱效应，箱梁的抗震性能得到改善。

（2）结构受力合理、提高材料的利用率：

在波形钢腹板PC箱梁桥中的砼均集中在顶、底板处,回转半径几乎增加到最大值,大大地提高了截面的结构效率；受力时砼用来抗弯,而波形钢腹板用来抗剪，弯矩与剪力分别由顶、底板和波形钢腹板承担，其腹板内的应力分布近似为均布图形,而非传统意义上的三角形,有利于材料发挥作用；波形钢腹板PC箱梁桥采用体外预应力承受活载,因而即使在长期运营后,体外预应力索出现磨损或断裂时,也可以在夜间停止车辆通行后对其进行更换，以恢复承载力和进行结构加固。

（3）施工方便、提高施工速度：

由于梁体自重的减轻,悬臂施工时,可减少节段数量，因而可短缩工期；悬臂浇注时钢腹板可用作挂篮的组成部分、顶推施工时可以用腹板作导梁、现浇时可省略腹板模板，从而方便施工、节省施工成本。

如日本本谷桥在采用砼腹板箱梁时需要39个节段,而采用波形钢腹板后只需要31个节段,节段数减少了20%；鄄城桥120米标准跨初步设计节段数为31，现设计为23，因而可以大大地加快施工速度,缩短工期。

（4）节能环保、造型美观：

作为钢混组合结构，波形钢板的应用可节省桥梁混凝土用量、增大钢结构应用，这符合节能环保原则，而且波形钢腹板形态生动、颜色鲜艳，可使桥梁获得较强的美感，亦可很好的与周围环境相协调，是高速公路、山区、风景区较好的桥型选择。

2.波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥力学特性与设计计算要点

2.1箱梁的竖向弯曲

波形钢腹板竖向弯曲符合如下假定：

（1）忽略波形钢腹板的纵向抗弯作用波形钢腹板在纵向由于折皱效应，宛如手风琴一样可以自由伸缩，其纵向抗拉压刚度很小，一般用表观弹性模量来表示其刚度的降低。

表观弹性模量具体表述为E＝

E0/（t/h）2，式中E0为钢板的弹性模量，h为波形钢腹板高度，t为波形钢腹板的厚度，

波形钢腹板的形状系数。

鄄城黄河桥算得Emax=E0/531，而钢板厚度仅为8～14mm，故设计时可以认为波形钢腹不承受轴向力即近似认为波形钢腹板不抵抗轴向力与正弯矩，其断面抗拉压面积、抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板。

图3示出了鄄城黄河桥典型设计横断面及相应的抗轴向力、正弯矩折算断面；竖弯时断面正应力与剪应力的分布。

（2）在竖向荷载作用下正弯曲平面假定成立对一般钢-混凝土组合梁而言，在计算竖向弯曲时普遍采用了平截面假定，理论和实践证明在忽略波形钢腹板与混凝土之间的滑移与波形钢腹板竖向压缩变形的前题下，对波形钢腹板预应力混凝土箱梁的竖向弯曲平截面假定依然成立，且剪应力沿高度均匀分布。

（3）弯矩仅由顶底板构成的断面抵抗，而剪力则完全由钢腹板承担且剪应力在腹板上作均匀分布。

有了以上三项假定纵向弯曲计算可藉常规的方法与程序进行。

因波形钢腹板的手风琴效应（亦称褶皱效应），波形钢腹板不承受纵向拉、压力，于纵向弯曲计算中可不计入腹板的影响，导致波形钢腹板PC箱梁桥刚度较一般PC箱梁要小，表2为波形钢腹板桥梁和一般混凝土腹板桥梁的截面刚度的比较例子，于本例中可以看出与一般的PC箱梁桥梁（混凝土腹板）相比，波形钢腹板PC箱梁桥抗弯刚度约为90%、扭转刚度约为40%、剪切刚度约为10%。

一般的PC箱梁桥与波形钢腹板PC箱梁桥截面设计参数对比，见图4。

表2一般PC箱梁与波形钢腹板PC箱梁的受力性能比较

受力性能

单位

①PC箱梁

②波形钢腹板PC箱梁

②／①

跨中

断面积A

m2

7.12

5.80

0.81

断面惯性矩I

m4

6.19

5.61

0.91

扭转惯矩Jt

m4

12.31

5.16

0.42

腹板断面面积Aw

m2

2.10

0.027

-

弯曲刚度Ec·I

kN.m2

1.92×108

1.74×108

0.91

扭转刚度Gc·Jt

kN.m2

1.60×108

6.71×107

0.42

剪切刚度Gc·Aw

kN

2.73×107

2.08×106

0.08

根部

断面积A

m2

14.94

7.85

0.53

断面惯性矩I

m4

86.60

68.24

0.79

扭转惯矩Jt

m4

95.04

27.37

0.29

腹板断面面积Aw

m2

8.19

0.122

-

弯曲刚度Ec·I

kN.m2

1.92×109

2.12×109

1.10

扭转刚度Gc·Jt

kN.m2

1.60×109

3.56×108

0.22

剪切刚度Gc·Aw

kN

2.73×108

9.39×106

0.034

a）一般的PC桥b）波形钢腹板PC桥

注：

1.混凝土抗压强度：

＝40N/mm2；2.混凝土弹性模量：

Ec=3.1×104N/mm2；3.混凝土抗剪弹性模量：

Gc=1.3×104N/mm2；4.钢板弹性模量：

Es=2.0×105N/mm2；5.钢板抗剪弹性模量：

Gs=7.7×104N/mm2

图4一般PC箱梁桥与波形钢腹板PC箱梁桥截面设计参数对比

因波形钢腹板不承受轴向力因而纵向预应力索可集中加载于混凝土顶、底板，从而有效地提高了预应力效率，波形钢腹板主要承受剪切力，因腹板剪切应力较大，且箱梁剪切刚度较小，设计中应注意剪切变形对纵向弯曲挠度的影响。

波形钢腹板PC箱梁桥的抗扭刚度、横向刚度均较一般的PC箱梁桥小，设计中宜注意按适当间距设计横隔以增大其抗扭能力。

波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接是保证箱梁整体性的关键构造，应注意保证其纵向抗剪、横向抗弯性能。

桥梁的振动特性总体上反映了其刚度、质量分布的合理性，上述波形钢腹板PC箱梁桥相对于PC箱梁桥质量、刚度的变化综合效果，可反映于其振动特性变化上，表3示出了几座波形钢腹板PC箱梁桥的振动特性，波形钢腹板PC箱梁桥振动特性介于PC箱梁桥与钢桥之间，近似于PC箱梁桥，故其设计冲击系数可采用PC箱梁桥的冲击系数。

表3波形钢腹板桥的自振频率与衰减系数

桥名

新开桥

银山御幸桥

本谷桥

腾手川桥

小河内川桥

构造形式

简支桥

连续梁

连续刚构

连续刚构

T梁连续刚构

自振频率（Hz）

一阶

3.950

2.778

1.648

1.840

1.756

二阶

5.400

3.167

1.831

2.695

2.491

三阶

-

3.710

3.235

3.220

5.020

衰减系数

一阶

0.0270

0.0070

0.0320

0.0118

0.0073

二阶

0.0340

0.0084

0.0210

0.0092

0.0065

三阶

-

0.0095

-

0.0094

0.0056

2.2波形钢腹板的剪切屈曲

如上述，在竖向弯曲时波形钢腹板上的剪应力分布和传统的混凝土腹板有所不同,沿梁高基本呈等值分布。

由于轴向压应力较小，钢腹板可以视为纯剪应力状态,且剪应力较大，因此设计时需要验算钢腹板的剪应力,还需要计算钢腹板的剪切屈曲。

一般说来，极限荷载作用时，剪应力即使在允许应力以内时，设计亦并非可用，由于波形钢腹板的形状不同，即使剪应力在允许范围内，板的剪切屈曲也可能发生，所以对剪切屈曲的安全性验算必须进行。

对波形钢腹板剪切屈曲安全性计算，可以用有限变形理论的有限元方法作安全性验算，但实际上，用压杆的稳定性理论的有限元法对波形钢腹板的屈曲安全性进行计算也可