梁匯偉

(深圳市市政設計研究院有限公司)

1 前言

波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋最早起源于歐洲，上個世紀80年代中期，法國首先將波形鋼板應用于實橋，成功地建成了全世界第一座波形鋼腹板箱梁橋— 科涅克橋(Cognac)。日本于90年代將此技術引入國內(nèi)，并加以推廣和開發(fā)，在公路、鐵路及城市軌道的高架橋建設中的到了廣泛應用，到目前為止已建設了超過130座波形鋼腹板橋，并且在多種橋型中的了實踐，如2005年竣工的主跨為235m的預應力斜拉橋——矢作川橋，2008年竣工的主跨為150.4m的連續(xù)剛構橋——朝比奈川橋。

目前，國內(nèi)對波形鋼腹板組合梁的研究與實踐仍處于起步階段，通過科技工作者的理論分析及有針對性的實驗研究，對這種箱梁結構的抗彎、抗剪、扭轉與畸變、波形鋼腹板參數(shù)設計、屈曲特性、抗剪連接件設計與分析、橋面板的有效分布寬度、剪力滯效應、結構動力學特性和橋梁設計與建造等專題有了一定的認識，但仍未形成系統(tǒng)的規(guī)范和標準。自2005年以來，中國已建成的波形鋼腹板PC組合箱梁橋有江蘇淮安長征人行橋、河南光山潑河公路橋、重慶永川大堰河橋、山東東營銀座人行橋、青海三道河橋和寧波甬新河橋等。2007年后在建的橋梁有連霍國道主干線鄭州至洛陽高速公路上的英峪溝2號橋、大廣高速豫冀界至南樂段的衛(wèi)河大橋、河南新密溱水路大橋、山東鄄城黃河公路大橋、深圳南山大橋及平鐵大橋。其中深圳平鐵大橋采用波形鋼腹板預應力混凝土組合連續(xù)箱梁跨越現(xiàn)況鐵路，跨徑組合為(80+130+80)m，單幅梁寬達27m，采用懸臂澆筑施工，是目前中國在建的跨徑最大的一座波形鋼腹板PC組合箱梁橋。

2 結構特點

波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋就是用波形鋼板取代預應力混凝土箱梁混凝土腹板做成的箱梁橋，其結構特點主要包括波形鋼腹板與體外力筋兩個方面，具體表現(xiàn)在：

(1)由于采用波形鋼腹板，使得箱梁總重量大為降低，根據(jù)研究，結構自重可減少約30%，從而提高了預應力的效率，減少了預應力鋼材的用量;同時，可減少基礎及墩柱的荷載要求，使得下部結構材料可以大大減少，墩柱可做的更輕盈、美觀。

(2)與普通平板式鋼腹板相比，波形鋼腹板的剪切屈曲強度顯著增大，且板厚能減薄，同時屈曲強度可通過增大波形鋼腹板的波高而得到提高。

(3)波形鋼腹板具有褶皺效應(波形板沿橋軸方向可自由變形)，使導入預應力時不受抵抗，大大提高預應力效應，并對上、下翼板混凝土的徐變、干燥收縮產(chǎn)生的變形，不起約束作用，減少由此帶來的預應力損失。

(4)波形鋼腹板橋頂?shù)着c腹板的材質差異，波形腹板褶皺所產(chǎn)生的光影變化，使得結構具有較強的美感。

(5)采用體外力筋方式，可免除在混凝土瘦扳內(nèi)預埋管道的煩雜工藝，同時體外力筋可以替換，有利于橋梁的維夠與補強。

(6)由于波形鋼腹板有效降低上部結構的質量，抗震性能優(yōu)越，由此可以理解，在日本等地震多發(fā)國家該結構得到廣泛的應用及推廣。

3 設計內(nèi)容

波形鋼腹扳預應力混凝土組合箱梁作為一種新型橋梁結構，在設計與施工中都有諸多關鍵技術需要解決，其結構設計內(nèi)容大致如下。

(1)設置體外力筋組合箱梁飯限承載能力的確定。

(2)體外力筋的振動與疲勞特性。

(3)體外力筋用的中間導向塊及錨固端處的結構設計。(4)體外力筋的防蝕措施。

(5)波形鋼腹扳合理波形尺寸的選擇。

(6)波形鋼腹板的防腐措施。

(7)波形鋼腹板剪切屈曲形式及其屈曲強度的計算方法。

(8)波形鋼腹扳與上、下混凝土翼板接合部的結構設計。

4 設計要領

(1)主梁設計

對主梁自重產(chǎn)生的內(nèi)力可以簡單地按梁理論計算，而對后期恒載與活載的作用建議按梁格結構有限元法計算。主梁彎曲強度應滿足主梁截面的破壞彎矩大于極限荷載作用時產(chǎn)生的最大彎矩。波形鋼腹板無軸向剛度，且其彎曲剛度也遠較上下混凝土翼板小，因而與一般混凝土箱梁相比，波形鋼腹板式組合箱梁在扭轉作用下的截面變形是不容忽視的。其抗扭計算可參照一般鋼板粱的計算方法。

波形鋼腹板式預應力混凝土組合箱梁多采用體內(nèi)、體外并用的混合式預應力筋布置方式。體內(nèi)預應力筋在下混凝土翼板內(nèi)按直線布筋，而體外預應力筋通過設置的中間轉向塊向支座上方彎起。設計中一般體內(nèi)預應力筋承擔梁體自重及頂推施工時的荷重;體外預應力筋承擔后期恒載及活載的作用。體內(nèi)預應力筋按一般常規(guī)方法計算;對體外預應力筋，當中間轉向塊及錨固端處采用高密度聚乙烯套管時，摩擦系數(shù)可取用μ=0.15。計算混凝土彈性壓縮引起的預應力損失時，要考慮體內(nèi)、體外力筋先后張拉間的相互影響。對于體外預應力筋的有效預應力值的計算，建議采取日本提出的近似公式，即

式中：Pl為有效預拉力，P0為預拉力，r為預應力筋應力檜弛率，n為預應力筋彈性模量E與混凝土彈性模量之比，ρP為預應力筋的配筋率，即AP/AC，AP為預應力筋截面積，AC為混凝土截面積，φ為箱梁中翼板混凝土的徐變系數(shù)，χ為時效系數(shù)，可取為0.8，εcμ為混凝土干燥收縮率。

波形鋼腹板主要承擔主梁彎曲時的剪切作用，在剪力作用下波形鋼腹板的應力校核應包括三項內(nèi)容，即鋼板的剪應力強度校核、剪應力作用下局部屈曲應力校核及剪應力作用下沿腹板高度方向的整體屈曲應力的校核。鋼腹扳的剪應力強度校核可按通常材料力學的公式進行，剪切作用下局部屈曲應力可采用將波形鋼腹板的彎折邊視為鉸接的公式計算，即

式中：τcr為剪切局部屈曲應力，E為鋼腹板彈性模，μ為鋼腹板泊桑比，k為按b/a由有關曲線查得的系數(shù)，a為波形鋼腹板相鄰兩彎折邊聞鋼板的長邊，b為波形鋼腹扳相鄰兩彎折邊間鋼板的短邊，t為鋼腹板厚。

剪切作用下整體屈曲應力可采用按正交異性板處理的John T.Easley公式計算，即

式中：Ncr為波形鋼腹板單位長度的剪切屈曲荷重，E為鋼腹板的彈性模量，Ix、Iy為鋼腹板截面的慣性矩，t為鋼腹板的板厚，h為鋼腹板的高度;1.0≤β≤1.9，當鋼腹板高度的兩端視為鉸接時取β=1.0，視為固定端時取β=1.9。

波形鋼腹板與上、下混凝土翼板的連接是該結構最重要的設計內(nèi)容，抗剪連接件可采用埋入式連接、角鋼剪力鍵連接、雙開孔鋼板連接件連接(Twin-PBL連接)及單開孔鋼板與栓釘?shù)牟⒂眠B接(S-PBL連接+栓釘連接)等方式。對作用于波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接部的橋軸方向的水平剪力，應驗算設計荷載作用時，以及極限荷載作用時的安全性，安全性驗算標準為作用于連接部的剪力應小于抗剪連接件的容許剪力以及極限屈服強度。對發(fā)生于連接部的與橋軸成直角方向的彎矩，必須驗算設計荷載作用時以及極限荷載作用時的安全性，安全性的驗算標準為使角隅彎矩所引起的應力在限制值以下。

(2)橫梁設計

波形鋼腹板式預應力混凝土組合箱梁與通常的PC箱梁橋相比扭轉剛度較小，要在支座處設置端橫梁及在梁跨適當位置設置橫隔板，由此可增加主梁的抗扭剛度。端橫梁上布置有預應力鋼索的錨固端，端橫梁采用鋼筋混凝土結構，除在設計荷重作用下受彎曲作用(由前述梁格結構有限元法計算)外，尚在端橫梁與橋面板的結合部受到體外預應力索產(chǎn)生的剪切力以及設置在橋面板內(nèi)的橫向預應力筋對端橫梁的偏心壓力所產(chǎn)生的彎曲作用。

體外預應力鋼索用的偏心轉向塊通常采用鋼筋混凝土中間隔板式結構，偏心轉向塊主要承受體外預應力鋼索產(chǎn)生的上拔力，在上拔力作用下應對中間隔板與下翼板的連接部強度、下翼扳的彎曲強度及埋置于中間隔板中的管道(穿放體外預應力筋)的頂部處混凝土局部承壓強度作驗算。

(3)橋面板設計

橋面扳采用預應力混凝土結構，下翼板為鋼筋混凝土結構，上、下翼飯的內(nèi)力可參照箱形梁截面。

橫向設計法計算，但是因波形鋼腹板的剛度比通常的PC箱梁要小，設計中要考慮這一不同點的存在，橋面板厚度宜大于一般PC箱梁橋。同時，因為橋面板是受到直接輪載的影響，為了確保較高的疲勞耐久性，在可變荷載作用時不會發(fā)生裂縫，其應力要控制在裂縫發(fā)生的極限狀態(tài)以內(nèi)，可按鋼筋的容許單位應力為120N/mm2來計算確定鋼筋的配置。

5 結語

波形鋼腹板式預應力混凝土組合箱梁所具有的獨特的結構特點，表明了在橋梁上應用鋼一混組合結構的強大生命力。采用波形鋼腹板相當可觀地減輕了橋梁的自重，對于長大跨橋梁無疑是極其有利的，同時在減少現(xiàn)場施工作業(yè)、縮短工期上的經(jīng)濟效益也是十分明顯的。法國、日本在該項新結構的開發(fā)與應用上走在世界的前列，隨著中國對波形鋼腹板PC組合箱梁結構研究的不斷深入和應用技術的成熟，它將在中國的橋梁工程中得到愈來愈廣的應用。

［1］ 陳宜言.波形鋼腹板預應力混凝土橋設計與施工［M］.人民交通出版社，2009.

［2］ 徐強，萬水.波形鋼腹板PC組合箱梁橋設計與應用［M］.人民交通出版社，2009.

［3］ 蔡千典，冉一元.波形鋼腹板預應力結合箱梁結構特點的探討［M］.橋梁建設，1994.

［4］ 朱純偉，朱越峰.波形鋼腹板箱梁橋設計驗算方法介紹［J］.工程技術，2008.