肖海波，朱越峰

（1.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.湖州市安吉縣交通運(yùn)輸局，浙江 湖州 313300）

波形鋼腹板PC橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

肖海波1，朱越峰2

（1.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.湖州市安吉縣交通運(yùn)輸局，浙江 湖州 313300）

介紹了波形鋼腹板PC箱梁橋的受力特點(diǎn)，對波形鋼腹板橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了綜述，并結(jié)合某工程實(shí)例，對波形鋼腹板PC箱梁橋的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

波形鋼腹板；箱梁橋；力學(xué)特性

1　概述

預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁的抗彎、抗扭剛度大，常用于中大跨度橋梁。但為了滿足預(yù)應(yīng)力孔道布置的需要，箱梁腹板一般較厚，使得腹板的面積達(dá)整個(gè)截面面積的20%～30%，增加了結(jié)構(gòu)自重；并且腹板內(nèi)的主拉應(yīng)力易導(dǎo)致混凝土腹板開裂，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。

隨著鋼束防腐技術(shù)的提高和體外預(yù)應(yīng)力鋼束在橋梁工程中的應(yīng)用，1986年法國首先建造了世界上第一座波形鋼腹板PC橋梁，用波形鋼腹板代替混凝土腹板形成鋼-混組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與一般的PC箱梁相比具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）自重減輕20%～30%；

（2）波形鋼腹板在橋軸方向的剛度很小，不會約束預(yù)應(yīng)力，提高了上下翼板的預(yù)應(yīng)力效果；

（3）鋼腹板具有比較高的抗剪失穩(wěn)強(qiáng)度，不需要附加加勁肋，簡化了設(shè)計(jì)和施工。

近年來，波形鋼腹板PC梁橋在國內(nèi)也得到了一定程度的運(yùn)用，因此總結(jié)這類橋梁的設(shè)計(jì)技術(shù)變得十分重要。根據(jù)國內(nèi)外橋梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，本文將論述波形鋼腹板PC梁橋的設(shè)計(jì)要求和構(gòu)造措施。并結(jié)合某工程實(shí)例，分析該類型橋梁的力學(xué)特性。

2　波形鋼腹板橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)［1-4］

2.1設(shè)計(jì)理論

由于波形鋼腹板的縱向有效彈性模量十分小，波形鋼腹板箱梁可以采用忽略腹板抵抗軸力和彎矩作用的修正梁理論計(jì)算。圖1為這種梁單元的計(jì)算截面，彎曲變形計(jì)算基于如下的基本假定：

（1）波形鋼腹板的縱向變形剛度忽略，只考慮剪切剛度；

（2）頂板和底板的變形滿足平截面假定；

（3）截面的撓曲變形一致，忽略泊松比。

根據(jù)上述假定，頂板和底板的撓曲角位移為：

式中：x為梁軸的坐標(biāo)；w為梁的撓度，頂板、底板的撓度相等。

圖1　波形鋼腹板計(jì)算假定

頂板和底板的縱向位移為：

式中：u1、u2分別為頂板和底板的縱向位移；r1、r2為截面中心軸至頂板中心和底板中心的距離。單元?jiǎng)偠确匠谈鶕?jù)上述截面的位移函數(shù)以及虛功原理計(jì)算得到。

2.2截面形式

與混凝土腹板箱梁相比，由于波形鋼腹板對扭轉(zhuǎn)、畸變的翹曲剛度貢獻(xiàn)很小，使得扭轉(zhuǎn)和畸變

圖2　波形鋼腹板PC箱梁結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)過去的已建橋梁實(shí)例，波形鋼腹板箱梁的梁高與一般預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁相比略高，這是因?yàn)樵黾恿焊邔Y(jié)構(gòu)自重的影響很小，但可以改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

2.3波形鋼腹板的形狀

波紋鋼腹板主要由直、斜板組成，為了滿足受力的合理性，兩種板段間采用圓弧段過度，鋼板采用冷加工制造，圓弧段的內(nèi)徑過小容易引起疲勞，因此要求內(nèi)徑不應(yīng)小于5倍的鋼板厚度。具體構(gòu)造見圖3。圖3中d為波高，t為鋼板厚度。

圖3　波形鋼腹板形狀

鋼腹板主要承受剪切力，抗剪能力是確定鋼腹板設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容?？辜裟芰︱?yàn)算包括：剪切強(qiáng)度、剪切局部失穩(wěn)、剪切整體失穩(wěn)和耦合失穩(wěn)等幾個(gè)方面。

局部剪切失穩(wěn)計(jì)算是以兩個(gè)折線之間的板帶作為對象，彈性穩(wěn)定剪切應(yīng)力為：

考慮塑性影響的失穩(wěn)強(qiáng)度曲線為

式中：k=4.0+5.34/α2，α=a/hα≤h

而簡支鋼板的彈性整體剪切失穩(wěn)強(qiáng)度為：

考慮塑性影響的失穩(wěn)強(qiáng)度曲線為：

通常設(shè)計(jì)時(shí)，鋼腹板的形狀除了必須滿足受力需要外，還應(yīng)參照同類工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。表1列出了部分已建橋梁的鋼腹板尺寸。

表1　已建工程鋼腹板尺寸

2.4波形鋼腹板與混凝土之間的接合

波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓慕雍霞莾烧吖餐ぷ鞯幕A(chǔ)，它主要用來抵抗兩者接觸面之間的縱向剪應(yīng)力，防止兩者之間產(chǎn)生相對滑移?？辜暨B接件關(guān)系到橋梁的承載能力，所以它是設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的部分。目前國內(nèi)外實(shí)橋中常用的抗剪連接件主要有四種，見圖4。

圖4　波形鋼腹板與頂、底板之間的結(jié)合形式

日本1998年建成的本谷橋以及我國的潑河橋采用了如圖4（d）形式的抗剪連接件，日本在2002年建成的中野高架橋中采用了圖4（c）類型的抗剪連接件。

3　工程實(shí)例

這里以寧波某波形鋼腹板PC梁橋?yàn)槔f明該類型橋梁的力學(xué)特性，橋梁結(jié)構(gòu)尺寸見圖5。由于梁高比較低，按波形鋼腹板設(shè)計(jì)在跨中截面附近很難能滿足抗剪強(qiáng)度需要，因此僅在橋墩兩側(cè)各10 m的范圍內(nèi)采用波形鋼腹板。

圖5　波形鋼腹板PC梁橋結(jié)構(gòu)（單位：m）

采用M IDAS軟件進(jìn)行了橋梁計(jì)算分析，全橋沿縱向劃分了56個(gè)梁單元。

實(shí)際的設(shè)計(jì)荷載工況比較復(fù)雜，為了簡化起見，這里簡單地取自重和活載進(jìn)行計(jì)算，其中自重根據(jù)截面的信息計(jì)算，集中活載布置在跨中，荷載值為150 kN，滿布分布活荷載值為10 kN/m。

圖6為中跨最大撓曲線分布，計(jì)算結(jié)果表明，考慮或不考慮剪切變形得到的撓度結(jié)果相差很大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)榘戳豪碚撚?jì)算時(shí)，剪切力主要依靠腹板承擔(dān)，而鋼腹板由于截面積小、抗剪剛度低，導(dǎo)致了兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果相差很大，因此，波形鋼腹板梁理論的計(jì)算精度有待于提高。

圖6　中跨跨中最大撓曲變形

圖7　箱梁正應(yīng)變分布

4　結(jié)語

總結(jié)了波形鋼腹板PC梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。并通過對某波形鋼腹板箱梁橋的計(jì)算，對該類結(jié)構(gòu)的受力特性有了一定認(rèn)識，波形鋼腹板箱梁計(jì)算理論有待進(jìn)一參考文獻(xiàn)：

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U443.3

A

1009-7716（2016）09-0129-03

2016-05-25

肖海波（1978-），男，湖南常德人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。產(chǎn)生的縱向翹曲應(yīng)力的比例大大增加。為了控制縱向翹曲應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該布置一定數(shù)量的橫隔板（見圖2），提高截面的抗扭和抗畸變剛度。