吳啟明 董桔燦

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518029）

1 發(fā)展概況

1986年法國建成世界上第一座波形鋼腹板組合梁橋——Cognac橋，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在德國、挪威、日本等國得到了大范圍推廣。

日本是此類橋梁建設較多的國家，已建數(shù)量超過300座。主跨跨徑組合173.4 m+2×235.0 m+173.4 m的矢作川斜拉橋是世界上第一座波形鋼腹板組合梁斜拉橋。

國內應用起步雖較晚，但發(fā)展迅速，從2005年建成了第一座波形鋼腹板組合梁橋——江蘇淮安長征橋起，已建數(shù)量超百余座，2006年山東鄄城黃河主橋的建成，標志我國已進入成規(guī)模的應用階段。深圳東寶河大橋（88 m+156 m+88 m連續(xù)梁）跨徑在同類型橋梁中居世界前列。鄭州朝陽溝大橋為國內跨徑最大的部分斜拉橋，跨徑組合（58+118+188+108）m，技術難度較高。

2 空間力學特性

2.1 剪力滯效應和翼緣有效寬度

國內公橋規(guī)及國外BS5400、Eurocode4、AASHTO有關于混凝土梁、組合梁翼緣有效寬度的規(guī)定，是否適用于波形鋼腹板組合梁應進行進一步研究。使用有限元方法，可得到波形鋼腹板組合箱梁與傳統(tǒng)混凝土箱梁在中支點處的頂板應力分布情況，兩種橋型跨徑均為（88+156+88）m，梁高均為3.5～8.3 m，梁寬均為16.25 m。相關數(shù)據(jù)表明，波形鋼腹板組合箱梁具有明顯的剪力滯效應。

波形鋼腹板組合箱梁與傳統(tǒng)混凝土箱梁在中支點處的頂板應力分布如圖1所示。

圖1 應力分布

剪力滯效應與荷載形式有關，研究表明，集中荷載作用下的剪力滯效應需要高于均布荷載。現(xiàn)有的規(guī)范針對翼緣有效寬度的規(guī)定只適用于均布荷載，集中荷載占比較大時，安全性較低。除此之外，汽車活載的情況較為復雜，其荷載包括均布荷載、集中荷載，且需要按照影響線進行最不利加載，因此，常規(guī)的分析方法無法適用，建議采用差分法對剪力滯效應微分方程進行數(shù)值求解。

2.2 扭轉效應

扭轉包括剛性扭轉、畸變，針對剛性扭轉，目前常采用烏二理論進行分析，其基于變形協(xié)調、幾何方程和物理方程建立關于扭矩、翹曲雙力矩和翹曲函數(shù)的微分方程。由于假定為理想薄壁構件，與實際情況不符，且該理論忽略了部分變形能項，導致其精度較低。

畸變理論放棄了烏二理論中的剛性周邊假定，并在翹曲變形基礎上考慮截面框架變形和翼緣板彎曲變形。通過變量變分法可得到關于畸變角的四階微分方程。波形鋼腹板的力學特性較復雜，其力學模型更接近正交異性板，在扭轉荷載作用下，變形模式的具體形式需要進一步研究，傳統(tǒng)的畸變分析理論不再適用。

針對上述剛性扭轉和畸變兩種效應，提出了基于廣義坐標法的扭轉畸變耦合理論，且確定廣義坐標是解決問題的關鍵。

2.3 單箱多室截面多塊腹板的剪力分配

單箱多室截面可適用較大的橋面寬度，且其整體性好，已逐步得到廣泛應用，如鄭州朝陽溝特大橋采用單箱了四室截面。

單箱多室截面的波形鋼腹板剪力計算時，不可簡單按均勻進行分配處理。通常情況下，中間腹板的剪力應大于邊腹板，精確分析需要借助箱梁剪力流理論，并假定波形鋼腹板的剪力流沿高度方向均勻分布。

鄭州朝陽溝特大橋腹板剪力分配系數(shù)的縱向分布如圖2所示。

圖2 朝陽溝特大橋腹板剪力分配系數(shù)沿橋梁縱向的分布

3 設計技術

3.1 概念設計

波形鋼腹板PC橋梁的結構形式包括簡支梁、連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構橋、斜拉橋。針對截面形式，普遍采用單室箱截面。相關文獻指出，具有多室箱梁的波形鋼腹板結構中，若干問題仍未明確，有必要進行詳細研究。若相關問題可使用試驗、FEM分析等進行評價，也可應用多室箱截面。主要問題包括各腹板分擋的剪力的比例、扭轉剛度的評價方法、翹曲應力的計算方法、板的設計彎矩的計算方法等。

梁高可參照傳統(tǒng)混凝土箱梁橋，但選擇較高的梁高較為經(jīng)濟合理。

3.2 波形鋼板的設計

目前波形鋼腹板的波形主要有1000型、1200型、1600型三種，較小的型號波高較小，可提高剪切局部屈曲強度，但會降低剪切整體屈曲強度。跨徑較小時宜采用1000型，跨徑較大時宜采用1600型。與此同時，應考慮考慮運輸條件、施工可行性、經(jīng)濟性等。

隨著技術進步，波形鋼腹板組合梁橋逐漸向更大的跨徑發(fā)展，以往的三種規(guī)格的波形鋼板已難以滿足實際工程需求，提出了更大規(guī)格的2400型。當板厚較大時，2400型擁有更高的剪切屈曲承載力。波形鋼腹板厚度34 mm時，2400型與1600型的梁高-剪切屈曲承載力曲線、最大剪力-跨徑曲線如圖3所示。

圖3 2400型與1600型波形鋼腹板剪切屈曲承載力與適用性對比

由圖3可知，梁高≥9.65 m時，2400型的剪切屈曲承載力高于1600型。

3.3 連接件的設計

目前采用較多的連接件形式包括栓釘連接件、雙開孔鋼板連接件、單開孔鋼板+栓釘連接件、角鋼連接件、埋入式連接件。

針對埋入式連接件，相關資料表明，其具有充分的疲勞強度，設計施工時，應注意波形鋼腹板與混凝土底板耐腐蝕性的問題。針對雙開孔鋼板連接件方面，混凝土銷的驗算難度較大，可考慮橢圓孔，深圳東寶河大橋中支點附近采用此種開孔方式。針對角鋼連接件，其U形筋包括與角鋼焊接、不焊接兩種方式，與角鋼焊接的方式承載力有所提高，但會降低疲勞性能，推薦采用與角鋼不焊接的方式。

3.4 內襯與墩頂節(jié)段的設計

中支點附近設置內襯可降低傳遞剪力、緩和剛度突變、避免波形鋼腹板屈曲。腹板高度較大的情況下，支點附近的波形鋼腹板由于承受豎向反力，應力狀態(tài)較為復雜，抗屈曲能力降低，因此，須在中支點附近設置內襯?！恫ㄐ弯摳拱褰M合梁橋技術標準》（CJJ/T 272—2017）中規(guī)定，內襯混凝土的長度不小于支點處梁高，內襯混凝土的厚度應根據(jù)抗剪承載力和斜截面抗裂計算確定，最薄處不宜小于20 cm。

3.5 橫隔板的設計

橫隔板是提高波形鋼腹板組合箱梁抗扭能力的重要構件。由于抗扭剛度和腹板面外剛度明顯降低，波形鋼腹板組合箱梁的扭轉效應較為顯著，應按照更小的間距設置橫隔板?！恫ㄐ弯摳拱褰M合梁橋技術標準》（CJJ/T 272—2017）指出，中等跨徑的工程實例中，橫隔板間距為10～25 m，橫隔板設置的具體措施，需要完善扭轉分析理論。

4 結語

作為一種力學性能優(yōu)秀的新型組合結構，波形鋼腹板組合梁橋的技術已日趨成熟，行業(yè)標準的發(fā)布為其技術水平的提升提供了參考依據(jù)，可增加波形鋼腹板組合梁橋的使用數(shù)量，提升工程質量。