大跨度波形鋼腹板PC組合梁橋設(shè)計(jì)與分析

馬利斌，黃浩，唐國(guó)喜

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)是目前公路橋梁中應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式之一。但隨著大跨徑連續(xù)梁橋的廣泛發(fā)展及應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題：在施工中預(yù)應(yīng)力管道布置繁瑣，施工復(fù)雜，管道灌漿質(zhì)量難以保證；腹板裂縫難以控制，裂縫開(kāi)裂后預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕嚴(yán)重，影響結(jié)構(gòu)的耐久性[1]。波形鋼腹板箱梁組合結(jié)構(gòu)通過(guò)采用體外預(yù)應(yīng)力索、腹板采用波形鋼板可解決以上問(wèn)題，并且波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)自重較輕，可減少下部工程量，降低工程總造價(jià)[2]。對(duì)于主跨大于100m的變截面連續(xù)梁橋，采用波形鋼腹板變截面梁橋具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于波形鋼腹板組合梁橋的受力特性及工程應(yīng)用已開(kāi)展了較多的工作[3]，目前已建成的波形鋼腹板組合梁橋已達(dá)10余座，并取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文以淮河某大橋副航道橋設(shè)計(jì)為例，介紹大跨度波形鋼腹板PC組合梁橋的設(shè)計(jì)思路及主要計(jì)算要點(diǎn)。

1 工程概況

淮河在本橋位處分為南北兩汊，航道等級(jí)Ⅲ級(jí)，通航凈高8m；其中南汊為主航道，通航凈寬單孔雙向150m，北汊為副航道，通航凈寬單孔雙向110m。為滿(mǎn)足北汊副航道通航要求，北汊副航道橋擬采用主跨130m的變截面波形鋼腹板連續(xù)梁橋跨越，橋跨布置為（75+130+75）m。設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，單幅橋?qū)?6.75m，橋梁下部基礎(chǔ)采用承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)，橋梁總體布置圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

由于人行道采用部分懸挑，單幅橋箱梁頂板寬度為16.0m，箱梁底板寬度為8.50m。梁高和底板厚度均以1.8次拋物線(xiàn)的形式由跨中向根部變化，跨中梁高3.80m，底板厚28cm，根部梁高8.00m，底板厚150cm。箱梁翼緣懸臂3.75m，懸臂端厚度20cm，懸臂根部厚度70cm。頂板除在橫梁處加厚外，其余均為等厚28cm。橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

2.2 預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)

箱梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)與體外相結(jié)合的體系。其中懸臂頂板束、頂板合龍束和底板合龍束均采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，以抵抗一期恒載和施工臨時(shí)荷載；箱梁在連續(xù)狀態(tài)下張拉的體外預(yù)應(yīng)力用于抵抗二期恒載和活載。

體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊采用橫隔板式轉(zhuǎn)向塊，在滿(mǎn)足體外束轉(zhuǎn)向要求的同時(shí)，有效地增加箱梁的抗扭剛度。

2.3 波形鋼腹板設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)波形鋼腹板波長(zhǎng)1.60m，波高0.22m，水平面板寬0.43m，水平折疊角度為30.7°，彎折半徑為15t（t為波形鋼腹板厚度）。波形鋼腹板厚度根據(jù)抗剪計(jì)算采用24mm、22mm、20mm、18mm、16mm和14mm六種型號(hào)。

外露于空氣部分的防腐涂裝，可按照常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件進(jìn)行，需特別注意的是由于鋼混接縫處日后可能出現(xiàn)的縫隙以及滿(mǎn)足施工時(shí)的安裝誤差，鋼結(jié)構(gòu)嵌入混凝土部分的2～4cm內(nèi)也應(yīng)進(jìn)行防腐涂裝[4]。

2.4 連接鍵設(shè)計(jì)

波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接，是波形鋼腹板PC組合箱梁橋中最重要的構(gòu)造部位，要求能夠準(zhǔn)確傳遞作用于其連接部的橋軸方向的水平剪力，此外還需要抵抗因橋面輪載所導(dǎo)致的與橋軸成直角方向的橋面板角隅彎矩，以保證箱梁受力安全[5]。

對(duì)于抗剪連接件的選擇，除了其自身構(gòu)造及受力特點(diǎn)以外，其經(jīng)濟(jì)性以及施工的便利性是影響選擇的另外一個(gè)非常重要的因素。對(duì)于頂板連接鍵，考慮到橋面板直接承受車(chē)輪活載，原則上應(yīng)采用帶翼緣板的連接構(gòu)造。對(duì)于底板，從方便施工的角度考慮，應(yīng)采用不帶翼緣板的連接鍵形式，以方便連接件部位混凝土振搗，但需要做好排水、止水以及防腐工作，對(duì)于埋入式連接件，實(shí)施密封是非常重要的。

綜合橋面板受力、連接鍵經(jīng)濟(jì)性以及施工便利性，對(duì)于本副航道橋的連接件布置方式采用T-PBL+嵌入式連接鍵的組合方式，抗剪連接鍵構(gòu)造如圖3所示?？紤]施工的便利性，波形鋼腹板與橫隔板及橫梁之間連接采用栓釘連接鍵連接。

由于本橋跨徑較大，采用一般單孔埋入式連接鍵難以滿(mǎn)足抗剪要求，底板采用雙排開(kāi)孔設(shè)計(jì)，有效地提高了底板連接鍵抗剪承載能力。

3.2.1 局部模型描述

由于本橋跨度較大，支點(diǎn)處梁高達(dá)8m，橫梁寬8.5m，根部波形鋼腹板采用混凝土內(nèi)襯，墩頂附近結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，需對(duì)此處進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)算以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性。為了減小邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的不利影響，考慮圣維南原理，共建立了5個(gè)節(jié)段，混凝土部分采用實(shí)體單元模擬，波形鋼腹板采用殼單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用桿單元模擬，有限元模型如圖4所示。外荷載采用整體模型計(jì)算結(jié)果所得的彎矩、剪力、軸力施加于斷面，0號(hào)塊底部按實(shí)際支座面積進(jìn)行對(duì)應(yīng)約束。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

對(duì)于一般波形鋼腹板PC組合連續(xù)梁橋，其整體計(jì)算可假定波形鋼腹板的抗彎承載力計(jì)算只計(jì)入混凝土頂板和底板的EI和EA，忽略波形鋼腹板對(duì)抗彎的貢獻(xiàn)[6]。

對(duì)于波形鋼腹板的強(qiáng)度驗(yàn)算，一般包括4項(xiàng)校核內(nèi)容：抗剪強(qiáng)度、局部屈曲強(qiáng)度、整體屈曲強(qiáng)度以及組合屈曲強(qiáng)度。同時(shí)還需進(jìn)行波形鋼腹板與頂?shù)装宓目辜暨B接的驗(yàn)算。經(jīng)結(jié)構(gòu)整體驗(yàn)算，橋梁頂?shù)装寤炷辆鶟M(mǎn)足規(guī)范要求，鋼腹板抗剪性能、穩(wěn)定性以及與頂?shù)装宓倪B接構(gòu)件均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 結(jié)構(gòu)局部分析

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，箱梁頂板順橋向正應(yīng)力分布如圖5所示，頂板順橋向處于全部受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力分布為-4.2MPa～-10MPa，底板順橋向正應(yīng)力分布如圖6所示，最大壓應(yīng)力分布為-12.4MPa，結(jié)構(gòu)受力狀況良好。

波形鋼腹板在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，xy方向剪應(yīng)力分布如圖 7所示，剪應(yīng)力分布為 -53MPa～53MPa，波形鋼腹板Von-Mises應(yīng)力分布如圖8所示，波形鋼腹板組合應(yīng)力均小于150MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 小 結(jié)

波形鋼腹板PC組合梁橋設(shè)計(jì)方法與常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土箱同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1]楊明，孫筠，張樹(shù)仁，等.波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力箱梁的展望與發(fā)展[J].公路交通科技,2006(12).

[2]陳寶春，黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應(yīng)用綜述[J].公路,2005(7).

[3]陳寶春，陳宜言，林松.波形鋼腹板橋梁應(yīng)用調(diào)查分析[J].中外公路,2010(30).

[4]崔冰，董萌，李準(zhǔn)華.大跨度變截面波紋鋼腹板PC連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào),2011(44).

[5]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

[6]陳宜言.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2009.