文 鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

目前，在普速鐵路橋梁設(shè)計(jì)中大量采用了預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，梁重較大，跨度較小，且在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程量也較大。因此，減輕上部結(jié)構(gòu)的自重便成為首要問題。預(yù)應(yīng)力波形鋼腹板簡支T梁橋是一種值得重視的新型橋梁形式，多為等截面形式，在結(jié)構(gòu)形式上是對傳統(tǒng)混凝土T梁橋的一種革新，采用波形鋼腹板代替普通混凝土T梁的腹板，不但充分滿足了腹板的力學(xué)性能要求，提高了材料的使用效率，更好的發(fā)揮了混凝土抗壓，鋼材抗拉、抗剪的優(yōu)良特性，而且大幅度的減輕了主梁自重，縮減了包括基礎(chǔ)在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)所承受的上部恒載;波形鋼腹板立面造型美觀，吊裝重力小，安裝時不需要大型吊裝設(shè)備，適應(yīng)于預(yù)制架設(shè)。2005年，世界上第一座波形鋼腹板T梁橋——曾宇川橋在日本建成，國內(nèi)目前尚無成橋?qū)嵗?，本文對波形鋼腹板T梁從設(shè)計(jì)的角度提出一些思路和想法，并將波形鋼腹板T梁橋與時速200 km客貨共線預(yù)制后張法簡支T梁通橋(2005)2201系列梁進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)對比，為波形鋼腹板T梁橋的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

2 波形鋼腹板T梁橋的一般構(gòu)造設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力波形鋼腹板簡支T梁橋的典型構(gòu)造，由混凝土頂板、混凝土馬蹄、波形鋼腹板、預(yù)應(yīng)力體系和橫隔板組成，由于混凝土頂板與傳統(tǒng)混凝土T梁橋類似，本文主要詳細(xì)講述混凝土馬蹄、波形鋼腹板構(gòu)造、剪力連接件構(gòu)造、預(yù)應(yīng)力體系、橫隔板構(gòu)造方面的設(shè)計(jì)思路。

波形鋼腹板簡支T梁橋的跨徑選用鐵路常用的16、20、24、32 m四種，T梁截面與波形鋼腹板的一般構(gòu)造如圖1所示，頂板和馬蹄尺寸參照通橋(2005)2201梁圖，并考慮鋼束布置和與鋼腹板連接計(jì)算擬定，波形鋼腹板尺寸參照日本已建成的幾座波形鋼腹板簡支T梁橋擬定，16、20、24 m T梁參照曾宇川橋，32 mT梁參照新開橋，具體尺寸如表1所示，表中字母含義參見圖1。

圖1 T梁截面與波形鋼腹板的一般構(gòu)造(單位:mm)

表1 波形鋼腹板T梁橋腹板尺寸 mm

2.1 波形鋼腹板馬蹄

由于波形鋼腹板T梁的預(yù)應(yīng)力筋無法布置在腹板內(nèi)，既要保證馬蹄與波形鋼腹板的可靠連接，又要保證有足夠的空間布置預(yù)應(yīng)力筋，因此其馬蹄尺寸一般要比普通T梁的馬蹄尺寸大，通過計(jì)算后確定的馬蹄尺寸如圖1所示。

2.2 波形鋼腹板T梁橋的腹板構(gòu)造

如何確定波紋鋼腹板的形狀，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。不同的波形鋼腹板形式，對于梁體的受力有很大的影響。2001年，馬來西亞學(xué)者Chan、Khalid等人針對工字鋼梁腹板采取不同折疊方式情況下，對梁的承載力進(jìn)行了有限元分析和模型試驗(yàn)［1］，其腹板分別采用縱向波形和橫向波形，結(jié)果表明采用縱向波形鋼腹板梁的承載能力明顯較大。埃及扎加齊克大學(xué)Eldib等人通過數(shù)值分析以及結(jié)合前人所進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對考慮材料非線性的曲線型波形鋼腹板的抗剪性能進(jìn)行了分析［2］，結(jié)果表明，曲線型波形鋼腹板比常用的梯型波形鋼腹板抗剪強(qiáng)度更高，為水平波形鋼腹板梁和平鋼腹板梁承載力的1.8～2.1倍。在相同跨徑和相同荷載下，采用曲線波形形狀的鋼腹板梁的自重可比平鋼腹板梁減小10%左右。但是出于加工的技術(shù)要求，曲線波形并沒有得到很好的應(yīng)用。因此對于波形鋼腹板T梁橋，采用縱向梯形波形的形式，如圖1所示。

2.3 剪力連接件構(gòu)造

在波形鋼腹板T梁橋設(shè)計(jì)中，波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到整個組合梁的受力性能。結(jié)合部的設(shè)計(jì)必須保證能夠有效地傳遞鋼腹板和混凝土材料之間的水平剪力，保證其發(fā)揮組合效應(yīng)。

抗剪連接件可以分為剛性連接件和柔性連接件兩類［3-7］，這里采用柔性剪力連接件形式:栓釘連接件，即在波形鋼腹板的上下端部焊接鋼制翼緣板，翼緣板上焊接剪力釘，使之與混凝土板結(jié)合在一起，此剪力件僅由栓釘抗剪，受力性能好，施工方便，可靠性高，適合于鐵路橋梁大規(guī)模的預(yù)制架設(shè)。栓釘直徑采用22 mm，栓釘長度采用20 cm，經(jīng)對栓釘抗剪計(jì)算，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2.4 波形鋼腹板T梁橋的預(yù)應(yīng)力布置

對于波形鋼腹板T梁橋，在跨徑較小時，可以僅通過布置一定的底板束，即可達(dá)到合理的成橋狀態(tài)。但是隨著跨徑的增大，在支座附近必然使頂板產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而且由于波形鋼腹板的存在，使得底板束彎起存在一定的困難，因此，采用體內(nèi)體外混合配束成為解決這一問題的常用方法。在設(shè)計(jì)體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力時，將體內(nèi)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)成能夠滿足恒載的承載，體外預(yù)應(yīng)力只擔(dān)負(fù)活荷載的承載［8-10］。這樣，即使在長期運(yùn)營后，體外鋼索出現(xiàn)磨損與斷裂時，也可以臨時中斷線路運(yùn)行后更換體外鋼索，以延長橋梁的使用壽命。體外鋼索采用集中方式配置，鋼索錨固在端橫隔梁，通過轉(zhuǎn)向塊和橫隔板達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

由于本次鐵路T梁研究范圍最大跨度為32 m，跨度較小，經(jīng)對32 m T梁配束計(jì)算發(fā)現(xiàn)只需配置一定的底板束即可滿足結(jié)構(gòu)受力要求，鋼束采用φs15.2－19，斷面布置如圖1所示。

2.5 波形鋼腹板T梁橋的橫隔板構(gòu)造

橫隔板保證各片T梁相互聯(lián)接成整體，使荷載橫向分布趨于均勻，橫隔板數(shù)量越多，剛度及整體性越好，同時可以增加T梁在制造、運(yùn)輸、安裝過程中的穩(wěn)定性。

本文嘗試提出了幾種波形鋼腹板T梁的橫隔板形式，可以分為混凝土橫隔板和鋼結(jié)構(gòu)橫隔板?；炷翙M隔板又可以分為整體橫隔板和部分橫隔板。鋼結(jié)構(gòu)橫隔板分為鋼板式橫隔板與鋼框架橫隔板，如圖2～圖5所示。

圖2 整體混凝土橫隔板

圖3 部分混凝土橫隔板

圖4 鋼板式橫隔板

圖5 鋼框架橫隔板

整體橫隔板的優(yōu)點(diǎn)是剛度大，約束作用強(qiáng)，橋梁整體性能好，缺點(diǎn)是自重大，增加了橋梁的恒載;部分橫隔板增加的自重較少，缺點(diǎn)是約束作用差，與鋼腹板連接薄弱;鋼板式橫隔板整體性好，能夠保證橋梁共同受力，缺點(diǎn)是鋼材使用量大，成本較高;鋼框架式橫隔板受力明確，材料利用率高，缺點(diǎn)是橫隔板剛度較弱，容易引起應(yīng)力集中，連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜。

混凝土橫隔板與波形鋼腹板的連接可以通過在波形鋼腹板表面焊接剪力釘?shù)姆绞?，此種連接方式技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是存在焊接殘余應(yīng)力，抗疲勞性能差;也可以通過鋼板開孔埋設(shè)貫穿鋼筋的方式，此種方式優(yōu)點(diǎn)是橫向橫隔板連接牢固，缺點(diǎn)是削弱了鋼板的抗剪面積。鋼結(jié)構(gòu)橫隔板，可以通過節(jié)點(diǎn)板利用高強(qiáng)螺栓與鋼腹板相連。

3 波形鋼腹板T梁與普通混凝土T梁的技術(shù)指標(biāo)對比

為了了解波形鋼腹板T梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了波形鋼腹板T梁的各方面特性，并與普通預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋?qū)Ρ?，普通預(yù)應(yīng)力混凝土 T梁橋仍選用通橋(2005)2201系列梁。

首先，對普通混凝土簡支T梁和鋼腹板T梁自重進(jìn)行分別計(jì)算，混凝土容重取26.5 kN/m3，鋼材容重取78.5 kN/m3，將混凝土腹板替換成波形鋼腹板后，鋼腹板T梁自重減輕為普通混凝土簡支T梁的80%左右，減少較為明顯。

其次，比較2種T梁的力學(xué)特性，采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，普通混凝土簡支T梁采用梁單元，波形鋼腹板T梁按空間建模，頂板和馬蹄采用實(shí)體單元，鋼腹板采用板單元。計(jì)算抗彎剛度時，分別建立16、20、24、32 m的普通混凝土簡支T梁和波形鋼腹板簡支T梁有限元模型，計(jì)算在相同的荷載作用下其撓度的比值來計(jì)算其抗彎剛度的相對比值。同樣計(jì)算其抗扭剛度時，建立不同跨徑的4組模型，使其梁端一端固定，另一端自由，在自由端施加相同的扭距，通過扭轉(zhuǎn)角的比值計(jì)算其抗扭剛度的相對比值。計(jì)算抗剪剛度時，使其梁端一端固定，另一端自由，在自由端施加相同的豎向力，所得梁端位移減去彎曲的影響，考察其剪切位移的變化，計(jì)算其抗剪剛度的相對值。共建立3組有限元模型，在梁端分別施加100 kN·m的彎矩、100 kN·m的扭矩和100 kN的剪力，相應(yīng)的響應(yīng)見表2。

表2 各模型的位移響應(yīng)

從表2可以看出，腹板換成波形鋼腹板后，抗彎剛度因?yàn)椴ㄐ武摳拱逶跇蜉S向的剛度非常小，它基本上不能承受軸力和彎矩，因此只考慮了頂板和馬蹄的抗彎，下降為原來的75%左右，需通過增加預(yù)應(yīng)力效應(yīng)或者適當(dāng)增加梁高來滿足結(jié)構(gòu)的受力要求;抗扭剛度下降較多，設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮加強(qiáng)各單片T梁之間的橫向連接;抗剪剛度波形鋼腹板也下降較多，因?yàn)椴ㄐ武摳拱錞梁的剪力絕大部分是由很薄的波形鋼板來承擔(dān)，盡管鋼板的剪切模量約是混凝土的10倍左右，但它提供的抗剪面積卻小很多，因此在設(shè)計(jì)波形鋼腹板T梁橋時計(jì)算位移時應(yīng)考慮剪切變形的影響。

4 結(jié)語

波形鋼腹板混凝土組合簡支T梁橋?yàn)橐环N新型組合結(jié)構(gòu)橋梁，用波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板，實(shí)現(xiàn)了主梁輕型化，減少了下部工程量，另外還具有預(yù)應(yīng)力效率高、經(jīng)濟(jì)性好、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)化預(yù)制和快速施工，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展空間。

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