解 冰

（廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510080）

0 引言

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是一種新型組合結(jié)構(gòu)橋梁，有效地利用了波形鋼腹板的受力特點(diǎn)，可延長橋梁的使用壽命，近年來這種組合結(jié)構(gòu)橋梁在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的連續(xù)梁橋相比較，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：①材料綜合利用率高，經(jīng)濟(jì)效益較好；②梁可同時采用體內(nèi)、體外2 種預(yù)應(yīng)力，延長結(jié)構(gòu)使用壽命；③降底了上部結(jié)構(gòu)的自重，抗震性能較好；④大大減少了模板支護(hù)和混凝土澆筑，縮短了施工周期；⑤鋼腹板不易開裂，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性［1，2］。

2017 年，國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ/T 272-2017》頒布實(shí)施，為波形鋼腹板的設(shè)計(jì)提供了全國性的參考依據(jù)。廣大學(xué)者也對波形鋼腹板梁橋的力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，聶建國等人［3，4］對波形鋼腹板梁進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度和剪切變形分析，提出了彈性剪切屈曲強(qiáng)度和有效剛度法。陳寶春等人［5，6］對國內(nèi)外波形鋼腹板梁橋進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了這種梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并闡明了發(fā)展趨勢。陳宜言等人［7，8］介紹了波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋的適用范圍，并對抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。董桔燦等人［9，10］對波形鋼腹板梁橋進(jìn)行了抗扭承載力和有效翼緣寬度研究，提出了抗彎和抗扭承載力簡化計(jì)算公式。

本文針對波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以廣州某特大橋?yàn)楸尘肮こ踢M(jìn)行了力學(xué)性能分析，具體包括主梁上下緣混凝土在施工階段、正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的受力驗(yàn)算，波形鋼腹板的剪切破壞及剪切屈曲破壞驗(yàn)算，以及樁基的承載能力計(jì)算，探討了將這種新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于設(shè)計(jì)施工的可行性。

1 設(shè)計(jì)概況

廣州某特大橋是廣州市紅棉大道工程一期的一座波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，橋梁的邊跨為78 m，主跨為130 m，邊跨與中跨比值為0.6，橋型具體布置如圖1 所示。橋梁除支座處采用混凝土腹板，其他梁段均設(shè)置波形鋼腹板。由于該類型橋梁的抗扭剛度比常見的混凝土腹板梁橋偏弱，所以每隔一定距離給主梁設(shè)置了1個橫隔板，以提高主梁的抗扭剛度。其中，邊跨和中跨分別設(shè)置2道和4道橫隔板，橫隔板的厚度為0.5 m。并且，箱梁在0#塊混凝土梁段設(shè)置1道3 m 寬的中橫梁，邊跨端部各設(shè)置1 道1.75 m 寬的橫梁。此外，波形鋼腹板采用體外預(yù)應(yīng)力索，并將轉(zhuǎn)向塊設(shè)計(jì)為橫隔形式，以達(dá)到構(gòu)造統(tǒng)一。波形鋼腹板采用1600 型，波高為220 mm，厚度為12～24 mm。橋梁采用柱式橋墩，基礎(chǔ)為嵌巖樁。中墩處主梁斷面如圖1所示，大橋施工現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 橋梁立面Fig.1 Side View of Bridge （cm）

圖2 施工現(xiàn)場Fig.2 Construction Site

2 上部結(jié)構(gòu)受力分析

運(yùn)用軟件MIDAS CIVIL 建立了上部結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合施工方法及其構(gòu)造特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，以準(zhǔn)確模擬其空間尺寸、支座約束、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等。模型共由70個梁單元組成，不考慮橋面鋪裝對上部結(jié)構(gòu)剛度的增大效應(yīng)，僅作為二期恒載施加。由于波形鋼腹板的抗彎剛度非常小，幾乎不承受縱橋向彎矩，因此模型中僅考慮混凝土頂?shù)装鍖χ髁簞偠鹊呢暙I(xiàn)，忽略波形鋼腹板對縱向抗彎剛度的影響［11］。本模型中混凝土強(qiáng)度為C55，波形鋼腹板采用Q345qC 鋼，預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fp=1 860 MPa。

2.1 施工階段劃分

為了準(zhǔn)確模擬主梁施工階段受力情況，本模型施工階段按如下步驟劃分：①架設(shè)橋墩，澆筑0#塊混凝土，張拉0#塊混凝土相應(yīng)鋼束，再安裝1#塊混凝土掛籃，掛籃重按1 900 kN 計(jì)；②按構(gòu)件實(shí)際重量的1.2 倍加載1#塊混凝土濕重，張拉1#塊混凝土相應(yīng)鋼束，然后掛籃前移；③重復(fù)步驟②過程，每一塊周期為7 d，直到12#塊混凝土的鋼束張拉完畢；④澆筑邊跨現(xiàn)澆段，合攏邊跨；⑤合攏中跨，拆除掛籃，體系轉(zhuǎn)換；⑥施工橋面系，并加載二期恒載；⑦進(jìn)入運(yùn)營階段。

2.2 施工階段計(jì)算

圖3 施工階段半橋混凝土應(yīng)力Fig.3 Concrete Stress of Half Bridge during Construction

2.3 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

各種荷載組合下，正常使用極限狀態(tài)半橋混凝土上下緣的應(yīng)力包絡(luò)圖如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在預(yù)應(yīng)力作用下，主梁上下緣混凝土全截面受壓，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。支座處混凝土壓應(yīng)力減小，主要是由于該處設(shè)置了混凝土腹板，增加了混凝土的受力面積。此外，負(fù)彎矩產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力也可導(dǎo)致壓應(yīng)力的減小。根據(jù)以上分析可以得出，該特大橋主梁混凝土屬于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，且滿足正截面抗裂要求。圖4 中混凝土的最大壓應(yīng)力σc=12.8 MPa，小于文獻(xiàn)［12］第7.1.5條的限值0.5fck=17.75 MPa，滿足使用階段混凝土正截面壓應(yīng)力規(guī)定。

圖4 正常使用極限狀態(tài)下半橋混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖Fig.4 Concrete Stress Envelope Diagram of Half Bridge Under Serviceability Limit State（MPa）

2.4 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

由于波形鋼腹板的折褶效應(yīng)，在抗彎承載能力計(jì)算中不考慮波形鋼腹板的作用，僅由頂、底板承擔(dān)彎矩，主梁正截面抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。從圖5中可以看出，主梁中墩處負(fù)彎矩較大，但是該處為混凝土腹板，抗彎能力較強(qiáng)，其余截面通過合理構(gòu)造，混凝土頂?shù)装蹇梢缘挚瓜鄳?yīng)的彎矩。因此，主梁正截面結(jié)構(gòu)抗力均大于所承擔(dān)的彎矩值，抗彎承載能力符合規(guī)范規(guī)定。

圖5 半橋抗彎承載力計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation Results of Bending Capacity of Half Bridge

3 波形鋼腹板計(jì)算

波形鋼腹板在使用過程中可能發(fā)生剪切破壞及剪切屈曲破壞，其中剪切屈曲破壞又分為局部剪切屈曲破壞、整體剪切屈曲破壞及組合剪切屈曲破壞3 種模式，因此需要分情況對波形鋼腹板進(jìn)行驗(yàn)算，以確保橋梁的正常使用。圖6 展示了1600 型波形鋼腹板尺寸，圖7 統(tǒng)計(jì)了波形鋼腹板在承載能力極限狀態(tài)下的剪應(yīng)力τd，彈性局部屈曲臨界剪應(yīng)力τeL，彈性整體屈曲臨界剪應(yīng)力τeG。由于單元1、2 和21 為混凝土腹板，故圖7中沒有列出單元1、2和21的剪應(yīng)力。

根據(jù)《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ/T 272-2017》［13］第5.2.2 條規(guī)定，由豎向彎曲和自由扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力τd應(yīng)滿足式⑴，其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。從計(jì)算可知，剪應(yīng)力最大值τd，max=116.20 MPa，則γ0τd，max=127.82 MPa＜fvd=155.00 MPa，表明波形鋼腹板承載能力極限狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度滿足要求，其中fvd為鋼腹板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖6 波形鋼腹板截面尺寸Fig.6 Section Size of Corrugated Steel Web （cm）

圖7 半橋波形鋼腹板的剪切應(yīng)力Fig.7 Shear Stress of Corrugated Steel Web of Half Bridge

4 下部結(jié)構(gòu)受力分析

本橋下部結(jié)構(gòu)主墩端部采用圓形截面，承臺厚4.0 m，下設(shè)雙排樁基礎(chǔ)，樁徑2.5 m，順橋向間距5.5 m，橫橋向單幅3根樁間距5.5 m，并對稱布置。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3363-2019》［14］第6.3.7條知，支承在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆（挖）孔樁、沉樁的單樁軸向受壓承載力容許值Ra可通過文獻(xiàn)［14］的公式進(jìn)行計(jì)算。

本文以1#樁基為例，其周圍的土層情況依次為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、礫砂、粉質(zhì)粘土、微風(fēng)化灰?guī)r、微風(fēng)化砂巖。根據(jù)文獻(xiàn)［14］可知各類土和巖石的樁側(cè)摩阻力以及微風(fēng)化砂巖的樁端摩阻力，其中q1k=15 kPa，q2k=15 kPa，q3k=60 kPa，q4k=60 kPa，q5k=800 kPa，q6k=600 kPa。微風(fēng)化砂巖的frk=50 000 kPa，Ap=4.906 m2，μ=7.85 m，根據(jù)文獻(xiàn)［14］可得c1=0.6，c2=0.5，其中c1是端阻發(fā)揮系數(shù)，c2是側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)，所以Ra=278 618.565 kN。而計(jì)算的單樁軸力為19 112.71 kN，全橋安全系數(shù)為γ0=1.1，故γ0N=21 023.98 kN＜Ra。

根據(jù)上述驗(yàn)算過程，分別對該橋左幅16#橋墩下6根樁基進(jìn)行單樁承載能力驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表1所示，可知大橋左幅16#橋墩的樁基礎(chǔ)軸向承載力滿足要求。

表1 單樁承載能力Tab.1 Bearing Capacity of Single Pile

5 結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，人們對橋梁的結(jié)構(gòu)形式不斷開拓創(chuàng)新，推動了橋梁領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。本文以廣州某特大橋?yàn)檠芯勘尘?，對波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行了較為系統(tǒng)的力學(xué)性能分析，在研究范圍內(nèi)得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)知。

⑴該特大橋在整個施工階段和正常使用極限狀態(tài)下主梁頂?shù)装寤炷恋膽?yīng)力均滿足文獻(xiàn)［12］限值，承載能力極限狀態(tài)下主梁抗力大于效應(yīng)，并且嵌巖樁承載能力具有較大的安全系數(shù)，表明該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，力學(xué)性能良好。

⑵由彎曲和扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，并且彈性局部屈曲臨界剪應(yīng)力、整體屈曲臨界剪應(yīng)力和組合屈曲臨界剪應(yīng)力均大于文獻(xiàn)［13］限值，表明波形鋼腹板不會發(fā)生剪切破壞和剪切屈曲破壞。

⑶相比于傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，波形鋼腹板的抗彎剛度非常小，但是只要設(shè)計(jì)合理，主梁頂?shù)装蹇梢猿袚?dān)上部荷載產(chǎn)生的全部彎矩，而波形鋼腹板可承擔(dān)剪力，結(jié)構(gòu)傳力清晰，2種材料的優(yōu)勢均得到了發(fā)揮。