解 冰

（廣東省冶金建筑設計研究院有限公司 廣州510080）

0 引言

波形鋼腹板預應力混凝土連續(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，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)外得到了廣泛應用。與傳統(tǒng)的連續(xù)梁橋相比較，波形鋼腹板預應力混凝土連續(xù)梁橋具有如下幾個優(yōu)點：①材料綜合利用率高，經(jīng)濟效益較好；②梁可同時采用體內(nèi)、體外2 種預應力，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)標準《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標準：CJJ/T 272-2017》頒布實施，為波形鋼腹板的設計提供了全國性的參考依據(jù)。廣大學者也對波形鋼腹板梁橋的力學性能進行了深入研究，聶建國等人［3，4］對波形鋼腹板梁進行了抗剪強度和剪切變形分析，提出了彈性剪切屈曲強度和有效剛度法。陳寶春等人［5，6］對國內(nèi)外波形鋼腹板梁橋進行了統(tǒng)計，分析了這種梁橋的結(jié)構(gòu)特點，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應力混凝土橋的適用范圍，并對抗震性能進行了詳細的研究。董桔燦等人［9，10］對波形鋼腹板梁橋進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算公式。

本文針對波形鋼腹板預應力混凝土連續(xù)梁橋的設計特點，以廣州某特大橋為背景工程進行了力學性能分析，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)的受力驗算，波形鋼腹板的剪切破壞及剪切屈曲破壞驗算，以及樁基的承載能力計算，探討了將這種新型結(jié)構(gòu)應用于設計施工的可行性。

1 設計概況

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應力混凝土連續(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#塊混凝土梁段設置1道3 m 寬的中橫梁，邊跨端部各設置1 道1.75 m 寬的橫梁。此外，波形鋼腹板采用體外預應力索，并將轉(zhuǎn)向塊設計為橫隔形式，以達到構(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)造特征進行結(jié)構(gòu)離散，以準確模擬其空間尺寸、支座約束、預應力效應等。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，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，忽略波形鋼腹板對縱向抗彎剛度的影響［11］。本模型中混凝土強度為C55，波形鋼腹板采用Q345qC 鋼，預應力鋼絞線標準強度fp=1 860 MPa。

2.1 施工階段劃分

為了準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架設橋墩，澆筑0#塊混凝土，張拉0#塊混凝土相應鋼束，再安裝1#塊混凝土掛籃，掛籃重按1 900 kN 計；②按構(gòu)件實際重量的1.2 倍加載1#塊混凝土濕重，張拉1#塊混凝土相應鋼束，然后掛籃前移；③重復步驟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進入運營階段。

2.2 施工階段計算

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

2.3 正常使用極限狀態(tài)計算

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力包絡圖如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在預應力作用下，主梁上下緣混凝土全截面受壓，沒有出現(xiàn)拉應力。支座處混凝土壓應力減小，主要是由于該處設置了混凝土腹板，增加了混凝土的受力面積。此外，負彎矩產(chǎn)生的混凝土拉應力也可導致壓應力的減小。根據(jù)以上分析可以得出，該特大橋主梁混凝土屬于全預應力混凝土構(gòu)件，且滿足正截面抗裂要求。圖4 中混凝土的最大壓應力σc=12.8 MPa，小于文獻［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力規(guī)定。

圖4 正常使用極限狀態(tài)下半橋混凝土應力包絡圖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)計算

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

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

3 波形鋼腹板計算

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行驗算，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)計了波形鋼腹板在承載能力極限狀態(tài)下的剪應力τd，彈性局部屈曲臨界剪應力τeL，彈性整體屈曲臨界剪應力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的剪應力。

根據(jù)《波形鋼腹板組合梁橋技術(shù)標準：CJJ/T 272-2017》［13］第5.2.2 條規(guī)定，由豎向彎曲和自由扭轉(zhuǎn)引起的剪應力τd應滿足式⑴，其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。從計算可知，剪應力最大值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)的抗剪強度滿足要求，其中fvd為鋼腹板抗剪強度設計值。

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，下設雙排樁基礎，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設計規(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［14］的公式進行計算。

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、微風化灰?guī)r、微風化砂巖。根據(jù)文獻［14］可知各類土和巖石的樁側(cè)摩阻力以及微風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。微風化砂巖的frk=50 000 kPa，Ap=4.906 m2，μ=7.85 m，根據(jù)文獻［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)上述驗算過程，分別對該橋左幅16#橋墩下6根樁基進行單樁承載能力驗算，驗算結(jié)果如表1所示，可知大橋左幅16#橋墩的樁基礎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為研究背景，對波形鋼腹板預應力混凝土連續(xù)梁橋進行了較為系統(tǒng)的力學性能分析，在研究范圍內(nèi)得到了以下幾點認知。

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鶟M足文獻［12］限值，承載能力極限狀態(tài)下主梁抗力大于效應，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)設計合理，力學性能良好。

⑵由彎曲和扭轉(zhuǎn)引起的剪應力小于抗剪強度設計值，并且彈性局部屈曲臨界剪應力、整體屈曲臨界剪應力和組合屈曲臨界剪應力均大于文獻［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)的預應力混凝土梁橋，波形鋼腹板的抗彎剛度非常小，但是只要設計合理，主梁頂?shù)装蹇梢猿袚喜亢奢d產(chǎn)生的全部彎矩，而波形鋼腹板可承擔剪力，結(jié)構(gòu)傳力清晰，2種材料的優(yōu)勢均得到了發(fā)揮。