(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510000)

引言

在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁中，由于腹板布筋和縱向預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向的需要，增加腹板的厚度在所難免，從而導(dǎo)致腹板面積高達(dá)截面面積的百分之三十左右。因此，運(yùn)用新型結(jié)構(gòu)以減少預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板厚度，是減輕箱梁自重十分有效的途徑。波形鋼腹板組合箱梁橋應(yīng)運(yùn)而生，這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用鋼材代替混凝土腹板，實(shí)現(xiàn)主梁的輕型化，進(jìn)而減少了墩臺基礎(chǔ)的工程量，是一種具有代表性的組合結(jié)構(gòu)橋梁。

隨著體外預(yù)應(yīng)力研究的日趨成熟，以及鋼材在建筑領(lǐng)域的發(fā)展，法國首先提出了用平面鋼板代替箱形截面混凝土腹板，以達(dá)到減小主梁自重的目的。后經(jīng)過進(jìn)一步研究優(yōu)化，法國 CB 公司產(chǎn)生了用波形鋼板代替平面鋼板的設(shè)想。這種波形鋼板因其在軸向?yàn)檎鄣鼱畎澹虼瞬粫拗朴身數(shù)装寤炷恋男熳?、收縮產(chǎn)生的變形。在軸向預(yù)壓力作用時，波形鋼能產(chǎn)生較大變形，從而避免了由于常規(guī)混凝土腹板的約束作用而造成截面預(yù)應(yīng)力的損失。

一、波形鋼腹板組合箱梁橋的特點(diǎn)

(一)構(gòu)造特征。1.波形鋼腹板之間的連接：頂?shù)装寤炷涟逶诂F(xiàn)場澆筑，而波形鋼腹板可在專業(yè)加工場所分段加工成型，然后運(yùn)送至現(xiàn)場，進(jìn)行節(jié)段之間的連接，再做防護(hù)噴涂處理。通常，現(xiàn)場波形鋼腹板的連接采用焊接翼緣板，把鋼板相互對接坡口焊的方法?；?qū)摪孱A(yù)留一部分重疊區(qū)，先用螺栓臨時連接，后采用貼角焊。2.體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力混合配束：懸臂澆筑時，在混凝土頂板中配置縱向預(yù)應(yīng)力筋，用以抵抗懸臂施工時的荷載及自重產(chǎn)生的負(fù)彎矩。在箱梁內(nèi)部配置體外束并通過梁端的橫墻和橫隔板來轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)曲線配筋，用于抵抗成橋運(yùn)營后的活載。3.波形鋼腹板與頂?shù)装寤炷恋倪B接方式：對于剪力連接鍵的形式，可采用在波形鋼腹板的上下端部各焊接翼緣板，在翼緣板上密布豎向的剪力釘，或采用翼緣板鉆孔，穿過貫通鋼筋，使之與混凝土板有效結(jié)合。

(二)力學(xué)特性。1.軸向變形特性：波形鋼板在軸向力作用下可發(fā)生較大變形，其表觀彈性模量很小。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，波形鋼腹板承受的軸向力可以忽略不計(jì)，軸向力僅由頂?shù)装寤炷脸袚?dān)。2.主梁的抗彎承載力計(jì)算：當(dāng)梁產(chǎn)生彎曲變形時，可以不考慮波形鋼腹板的抵抗作用，僅考慮頂?shù)装寤炷恋膸缀翁匦詫孛娈a(chǎn)生的貢獻(xiàn)，也就是說，荷載產(chǎn)生的彎矩僅由頂?shù)装寤炷劣?jì)算所得的截面抵抗。3.波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性：主梁在受彎的同時，還受到剪力的作用。抗剪驗(yàn)算時可忽略頂?shù)装寤炷恋目辜糇饔茫僭O(shè)剪力全部由腹板來承擔(dān)，同時計(jì)算其屈曲應(yīng)力，即進(jìn)行波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算。4.截面的抗扭特性：主梁在偏心荷載的作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時，波形鋼腹板的抗彎剛度貢獻(xiàn)與頂?shù)装寤炷料啾群苄?，因此頂?shù)装寤炷羶?nèi)會產(chǎn)生更大的扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力，故應(yīng)通過增加橫隔板或布置更多橫向聯(lián)結(jié)構(gòu)件來限制主梁的扭轉(zhuǎn)變形。

二、波形鋼腹板組合箱梁橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(一)剪力連接鍵。鋼-砼組合梁中，鋼材與混凝土之間的結(jié)合面極易發(fā)生粘結(jié)破壞。為保證不同材料能夠有效地結(jié)合，共同發(fā)揮工作，必須在結(jié)合面處設(shè)置抗剪連接鍵，令其既能抵抗剪切滑移又能抵抗掀起作用，此外還需滿足拉力和疲勞強(qiáng)度等功能要求。

結(jié)構(gòu)在鋼-砼連接部位的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，抗剪連接鍵的破壞形式一般可分為自身破壞和周圍砼的破壞。①連接鍵自身破壞一般發(fā)生在砼強(qiáng)度等級比較高的時候。這時連接鍵的承載力取決于連接鍵的形式及材質(zhì)，包括焊縫破壞、栓釘破壞或變形超過限值。②連接鍵周圍的砼破壞表現(xiàn)為連接鍵根部砼的局部受壓或劈裂破壞。在這種情況下，抗剪連接鍵的承載力取決于砼強(qiáng)度等級及品種。

(二)剪力滯效應(yīng)。波形鋼腹板組合箱梁與混凝土腹板箱梁一樣，沿箱梁橫向也存在彎曲應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，稱為“剪力滯效應(yīng)”。

為分析波形鋼腹板組合箱梁的剪力滯效應(yīng)，需采用空間有限元的方法，系統(tǒng)地分析波形鋼腹板組合箱梁的縱、橫向剪力滯效應(yīng)分布規(guī)律和截面各項(xiàng)參數(shù)產(chǎn)生的影響。

在集中荷載或均布荷載作用下，跨中截面以腹板與肋板交界處的剪力滯效應(yīng)最為嚴(yán)重。當(dāng)荷載作用位置在支點(diǎn)附近時，剪滯系數(shù)明顯增大。此外，結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如寬跨比、懸翼比、波高等的變化對簡支組合箱梁跨中截面剪滯效應(yīng)均有一定影響，故需從整體上把握組合箱梁剪力滯的分布規(guī)律。

(三)抗彎性能。由于波形鋼腹板縱向剛度很低，與混凝土產(chǎn)生相同應(yīng)變時，應(yīng)力要小得多，對截面抗彎承載力的貢獻(xiàn)很小，計(jì)算截面抗彎承載力時一般只需要考慮頂?shù)装寤炷恋淖饔?。模型試?yàn)和有限元分析結(jié)果表明，波形鋼腹板箱梁受彎時，其應(yīng)變可假設(shè)滿足線性分布規(guī)律，稱之為波形鋼腹板組合箱梁的“擬平截面假定”。

此外，波形鋼腹板組合箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力的二次效應(yīng)和應(yīng)力增量會顯著影響其極限承載力，考慮二次效應(yīng)和應(yīng)力增量的計(jì)算過程涉及到迭代非線性，復(fù)雜性大大提高。通過理論研究和實(shí)踐表明，在箱梁內(nèi)部合理設(shè)置轉(zhuǎn)向器，可以基本抑制體外預(yù)應(yīng)力的二次效應(yīng)。因此，在初步設(shè)計(jì)時，體外束的二次效應(yīng)可不作考慮。而計(jì)算體外束的極限應(yīng)力增量時，通常可借鑒預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式，人為假設(shè)極限應(yīng)力增量，可以在設(shè)計(jì)中降低體外束的張拉控制應(yīng)力。

(四)抗扭性能。通過相似模型試驗(yàn)和建立有限元模擬分析，在扭矩作用下，相較于普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁頂?shù)装瀹a(chǎn)生的的軸向應(yīng)變顯著增大。設(shè)計(jì)時一般采用合理布置橫隔板來增加主梁的抗扭性能。

在研究波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的扭轉(zhuǎn)特性時，可作如下假定：

1.與混凝土翼緣板相比，波形鋼腹板的橫向撓曲剛度要小得多，為使計(jì)算結(jié)果更加保守，通?？杉俣ǜ拱迮c翼緣板之間的連接方式為鉸接。

2.只考慮波形鋼腹板的抗剪作用，而忽略其產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

基于此，國外學(xué)者提出了波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的抗扭剛度公式:

隨著橫隔板數(shù)量的增加，扭轉(zhuǎn)荷載作用下的橫向位移和豎向位移最大值產(chǎn)生了不同程度的下降，縱向位移更是在整個跨徑范圍內(nèi)都有明顯減小。由此可知，通過增加中橫隔板的數(shù)量可以限制波形鋼腹板箱梁的扭轉(zhuǎn)位移，但數(shù)量越多對于減少位移的貢獻(xiàn)越少。在不過多加大自重的前提下，合理調(diào)整橫隔板間距，可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能。