波形鋼腹板PC組合箱梁橋在舊橋改造中的應(yīng)用

黃浩,鄭國華

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

波形鋼腹板PC組合箱梁橋在舊橋改造中的應(yīng)用

黃浩,鄭國華

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

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁是一種經(jīng)濟、高效、施工簡便的新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，目前在新建橋梁中已有較廣泛的應(yīng)用。以南照淮河公路大橋(65+98+65) m維修改造工程為背景，該橋原上部結(jié)構(gòu)拆除重建，下部結(jié)構(gòu)改造利用。對波形鋼腹板PC組合箱梁橋和組合鋼箱梁橋兩種方案進行了綜合比較，考慮到波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工便捷、受力性能合理、運營管理方便以及造價低等優(yōu)勢，建議上部結(jié)構(gòu)更換為波形鋼腹板PC組合箱梁。對新建上部波形鋼腹板PC組合箱梁橋進行了有限元分析，結(jié)果表明該方案在不增加上部結(jié)構(gòu)自重的前提下，上部新建波形鋼腹板組合梁可以滿足現(xiàn)狀使用要求。

舊橋改造；波形鋼腹板PC組合箱梁橋；有限元模型；

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋(以下簡稱“波形鋼腹板PC組合箱梁橋”)由混凝土頂、底板、波紋鋼腹板、體外束、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋(亦稱體內(nèi)束)等組成。通常預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板為了滿足鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋的布置，必須保證較厚的腹板，其面積往往可達到截面總面積的25%～30%[1-2]，而采用波紋鋼作為腹板能有效減輕主梁的重量，為改善受力、增加跨徑提供了必要的條件。波形鋼腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)特點決定截面內(nèi)的彎矩由混凝土頂、底板軸力所組成的內(nèi)力臂來承擔(dān)，剪力主要由波形鋼腹板承擔(dān)[3]。波形鋼腹板的褶皺效應(yīng)提高了預(yù)應(yīng)力效率，其軸向和彎曲剛度可以忽略不計[4-5]。波形鋼腹板PC 組合箱梁橋的出現(xiàn)，有效解決了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋梁根部混凝土腹板開裂和跨中部持續(xù)下?lián)蟽纱蠊こ滩『?，表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景[6]。目前，在我國橋梁工程中，出現(xiàn)了越來越多的波形鋼腹板組合梁橋，然而在舊橋改造中，波形鋼腹板組合箱梁橋尚無應(yīng)用先例。本文結(jié)合南照淮河大橋維修改造工程介紹了波形鋼腹板組合箱梁橋在舊橋改造中的應(yīng)用情況，為本類橋型的推廣應(yīng)用開辟了一條新的思路。

1 工程概況

南照淮河公路大橋是105國道跨越淮河的一座重要橋梁，跨徑縱向布置阜陽—六安方向依次為8×30 m的T梁+(65+98+65) m主跨連續(xù)梁+53×30 m的T梁+(38+68+38) m跨堤連續(xù)梁+3×30 m的T梁，全橋總長2 292 m。南照淮河公路大橋從2000年9月—2014年3月先后進行了多次專項定期檢測及評定。檢測發(fā)現(xiàn)：主橋中跨合攏段箱內(nèi)頂、底板存在混凝土崩裂現(xiàn)象；箱梁腹板存在大量斜向裂縫，部分裂縫縫寬超限，貫穿腹板；中跨箱內(nèi)有部分預(yù)應(yīng)力束齒板存在開裂現(xiàn)象；墩頂橫隔墻普遍有開裂現(xiàn)象；少數(shù)盆式支座上下地腳螺栓存在抵觸現(xiàn)象，影響支座滑動及減震功能；墩頂處橋面鋪裝破損較嚴(yán)重；主橋技術(shù)狀況評定結(jié)論表明該橋主橋橋面系為4級、上部結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件為5級、下部結(jié)構(gòu)為3級，綜合評定為四類橋梁。根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG H11—2004)相關(guān)條文規(guī)定：四類橋梁需進行大修或者改造，及時進行交通管制，如限載、限速通過，當(dāng)缺損較嚴(yán)重時應(yīng)關(guān)閉交通。經(jīng)過多次專家評審會論證，本橋不適合維修加固，建議對該橋上部結(jié)構(gòu)拆除重建。

2 主橋上部更換主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到原有主橋下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況良好，進行改造后仍可利用，因此新建上部結(jié)構(gòu)建議采用梁式結(jié)構(gòu)?？紤]到現(xiàn)有橋梁規(guī)范的荷載要求，主梁需要由兩腹板優(yōu)化為三腹板結(jié)構(gòu)，同時支點處梁高由原5.4 m(約為跨徑L/18.2)增大至6 m(L/16.33)。若采用傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，上部結(jié)構(gòu)自重將大大增加，下部結(jié)構(gòu)承載力不滿足要求，因此上部主梁更換方案主要考慮自重較輕的鋼-混組合梁方案。

2.1 方案一：(65+98+65) m波形鋼腹板連續(xù)箱梁

主梁采用變截面波形鋼腹板單箱雙室連續(xù)箱梁(如圖1所示)，跨徑組合為(65+98+65) m，橋面布置為：0.50 m(防撞護欄)+9.75 m(行車道)+9.75 m(行車道)+0.50 m(防撞護欄)=20.50 m。中支點梁高6 m，底板厚度0.70 m；跨中梁高2.8 m，底板厚度0.3 m；梁高及底板厚度按2次拋物線過渡；混凝土采用C50。主梁斷面如圖2～3所示。

圖1 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁典型斷面

圖2 主梁支點橫斷面圖(單位：cm)

圖3 主梁跨中橫斷面圖(單位：cm)

主梁腹板采用Q345D鋼材，波形鋼腹板采用1600型，標(biāo)準(zhǔn)段長1.60 m，波高0.22 m，水平面板寬0.43 m，水平折疊角度為30.7°，彎折半徑為15t(t為波形鋼腹板厚度)。波形鋼腹板結(jié)構(gòu)尺寸見圖4。

圖4 波形鋼腹板大樣圖(單位：cm)

考慮到通過本橋的重車較多的特點，波形鋼腹板與砼頂板的連接采用T-PBL加栓釘組合連接鍵進行連接，以提高頂板連接件的抗掀拔能力，波形鋼腹板(中腹板)與底板采用波形鋼腹板嵌入連接方式。波形鋼腹板與頂板連接件在工廠內(nèi)完成焊接，現(xiàn)場波形鋼腹板間采用雙面角焊縫進行連接。

2.2 方案二：(65+98+65) m組合鋼箱梁

本方案主橋采用組合鋼箱梁方案(如圖5所示)，跨徑維持原有主橋跨徑不變，仍采用(65+98+65) m布置，標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度為20.5 m，結(jié)構(gòu)形式為單箱單室鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁(如圖6所示)，底板寬10 m，原橋梁主墩底板寬共10 m，其中兩側(cè)擋塊各寬1 m。在不改造主墩條件下，為盡可能增加橫向兩支座間距以增強抗傾覆能力，本方案梁底寬度維持與墩寬相同，取為10 m，將擋塊設(shè)置于橋墩外側(cè)，施工過程中只需改造擋塊即可，主墩改造施工較為方便。邊跨及中跨靠支點位置采用支架法施工，中跨跨中60 m，梁段采用浮吊吊裝施工，吊裝重量約410 t，即先吊裝鋼梁到位，而后澆筑墩頂雙組合段混凝土，再按照一定次序鋪設(shè)預(yù)制橋面板，澆筑縱、橫向接縫。

圖5 組合鋼箱梁框架

槽型鋼梁整體上由頂板、腹板、底板、空腹式橫梁、支點橫梁、腹板加勁肋、底板加勁肋組成，其中頂板厚度42～56 mm，寬1.2 m，采用Q420qD鋼材；腹板厚24～36 mm，采用Q345qD鋼材；底板板厚18～36 mm，寬10 m，采用Q345qD鋼材?？紤]腹板為高腹板，布置豎向及水平向加勁肋，水平加勁肋位置及道數(shù)隨腹板拉壓受力不同而改變，豎向加勁肋斷面為T式斷面，水平加勁肋為板式斷面，縱向不連續(xù)。底板布置縱向加勁肋，板式斷面，通過設(shè)置過焊孔穿越空腹式橫隔板，縱向連續(xù)布置。

空腹式橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距4.0 m，由箱內(nèi)頂板橫梁、腹板橫梁、底板橫梁及箱外挑臂橫梁組成，箱內(nèi)、箱外分別設(shè)置2道圓管形斜撐以改善橋面受力，提高橫向系統(tǒng)的抗扭能力。箱梁外挑臂橫梁間設(shè)置小縱梁以增強鋼梁吊裝、橋面板鋪設(shè)過程中的穩(wěn)定性。靠近支點的3個梁段考慮底板受壓采用了鋼-混凝土雙組合斷面布置形式。

2.3 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比選

波形鋼腹板PC組合箱梁及傳統(tǒng)的鋼箱組合梁均可有效減輕上部結(jié)構(gòu)自重，以下就施工、管養(yǎng)、經(jīng)濟性等方面對兩方案進行比選。

2.3.1 施工方便性

波形鋼腹板連續(xù)PC組合箱梁橋采用掛籃懸臂澆筑施工，施工工藝成熟。組合鋼箱梁橋的跨中整體節(jié)段吊裝安裝，其余節(jié)段拼裝施工，施工速度優(yōu)于波形鋼腹板梁橋。

2.3.2 結(jié)構(gòu)自重

波形鋼腹板PC組合箱梁橋自重一般比預(yù)應(yīng)力混凝土橋輕10%～25%，避免了下部結(jié)構(gòu)改造的困難。組合鋼箱梁橋由于承重主體為鋼箱，結(jié)構(gòu)自重更輕。

2.3.3 受力性能

波形鋼腹板組合箱梁頂?shù)装蹇箯潱拱蹇辜?，結(jié)構(gòu)受力合理，波形鋼腹板褶皺效應(yīng)可以提高預(yù)應(yīng)力束效率。鋼箱組合梁難以解決負(fù)彎矩區(qū)頂板抗裂問題，考慮混凝土橋面板長期收縮徐變等因素，負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力施加效率較低。

2.3.4 運營管理方面

波形鋼腹板連續(xù)PC組合箱梁橋的用鋼量小于組合鋼箱梁橋，方案一后期養(yǎng)護任務(wù)小于方案二，年養(yǎng)護費用低于方案二。

2.3.5 通航滿足性

波形鋼腹板連續(xù)PC組合箱梁橋與組合鋼箱梁橋均能滿足通航要求。

2.3.6 建安費用

波形鋼腹板PC組合箱梁橋預(yù)計為2 608.75萬元，而組合鋼箱梁橋為3 041.15萬元，方案一經(jīng)濟性較好。

綜合以上因素，建議采用波形鋼腹板PC組合箱梁橋作為南照淮河大橋主橋上部結(jié)構(gòu)的更換方案。

3 主橋上部結(jié)構(gòu)總體計算

3.1 有限元模型建立

上部結(jié)構(gòu)計算采用Midas/Civil進行計算，主梁采用空間梁單元模擬，全橋共劃分為88個單元，

83個節(jié)點。施工階段按結(jié)構(gòu)特點及懸臂施工流程進行劃分，共53個施工階段，有限元模型如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)計算模型

3.2 有限元結(jié)果分析

3.2.1 持久狀況下抗彎承載能力極限狀態(tài)

波形鋼腹板的抗彎承載力計算只計入混凝土頂板和底板的作用，忽略波形鋼腹板對抗彎的貢獻。

圖8為承載能力極限狀態(tài)最不利組合下的橋梁抗彎承載能力驗算，從計算結(jié)果看，中跨跨中極限承載能力最大值為247 611 kN·m，而最不利組合彎矩最大值為231 653 kN·m；中墩支點極限承載能力最大值為-1 034 700 kN·m，而最不利組合彎矩最大值為-781 610.5 kN·m。整體驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

圖8 抗彎承載能力及最不利荷載組合下的彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)

3.2.2 正常使用下極限狀態(tài)驗算

①混凝土抗裂驗算。主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進行設(shè)計，在荷載短期效應(yīng)組合下，全梁各截面(如圖9所示)均未出現(xiàn)拉應(yīng)力(截面上緣最小正應(yīng)力為-1.3 MPa,發(fā)生在邊墩墩頂位置處；截面下緣最小正應(yīng)力為-1.5 MPa，發(fā)生在中跨跨中位置處)，主梁在荷載短期效應(yīng)組合下滿足正截面抗裂要求。

(a)正常使用極限狀態(tài)箱梁上緣抗裂性驗算應(yīng)力圖

(b)正常使用極限狀態(tài)箱梁下緣抗裂性驗算應(yīng)力圖
圖9 正常使用極限狀態(tài)抗裂性驗算應(yīng)力圖(單位：MPa)

②主梁剛度驗算。由計算可知，汽車荷載引起的最大撓度為3.3 cm，低于[f]=16.3 cm的規(guī)范要求，故正常使用極限狀態(tài)撓度滿足規(guī)范要求。

3.2.3 持久狀況下構(gòu)件應(yīng)力驗算

①使用階段正截面法向應(yīng)力驗算。按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)7.1條規(guī)定，荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載考慮沖擊系數(shù)，如圖10所示。

受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力：

(a)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下箱梁上緣壓應(yīng)力

(b)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下箱梁下緣壓應(yīng)力
圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下箱梁壓應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖中結(jié)果表明，持久狀況標(biāo)準(zhǔn)值組合下受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力為15.4 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 波形鋼腹板剪應(yīng)力驗算

國內(nèi)外相關(guān)研究成果表明，波形鋼腹板PC箱梁橋的剪力全部由波形鋼腹板承擔(dān)(但應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力筋豎直分力的貢獻)，且剪應(yīng)力沿腹板高度方向呈等值分布，鋼腹板中的應(yīng)力狀態(tài)一般視為純剪，因此波形鋼腹板PC箱梁橋的抗剪驗算可以通過對波形鋼腹板的剪應(yīng)力強度校核進行。

本文采用平均剪應(yīng)力計算理論，按照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)對主梁波形鋼腹板進行抗剪強度校核(鋼腹板高度只計外露于混凝土部分的鋼板高度，對于嵌入混凝土頂、底板部分的鋼板不予考慮)。

荷載基本組合作用下腹板剪應(yīng)力驗算如下：

式中：τ為作用于波形鋼腹板的剪應(yīng)力；Sw為荷載效應(yīng)基本組合下，作用于波形鋼腹板的剪力，Sw=S-Sp，S為荷載效應(yīng)基本組合作用時的豎向剪力，Sp為荷載效應(yīng)基本組合作用下計算斷面的預(yù)應(yīng)力豎向分力；h為波形鋼腹板的垂直方向高度；t為波形鋼腹板厚度；fvd為波形鋼腹板的屈服剪應(yīng)力。

荷載基本組合作用下，考慮邊、中腹板的剪力不均勻分配系數(shù)，波形鋼腹板最大剪應(yīng)力148 MPa，均小于規(guī)范允許值，波形鋼腹板滿足抗剪設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)根據(jù)南照淮河大橋的項目實際情況，主梁更換方案中分別對波形鋼腹板PC組合箱梁橋和組合鋼箱梁橋兩方案進行了綜合比較，考慮到波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工便捷、受力性能合理、運營管理方便以及造價低等優(yōu)勢，建議采用波形鋼腹板PC組合箱梁橋作為更換方案。

2)對波形鋼腹板PC組合箱梁橋在建成運營后的整體靜力學(xué)特性進行有限元分析，結(jié)果表明該方案有限元數(shù)值模型在各種工況的組合下，結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

3)考慮到我國目前部分已建成的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋存在不同程度的腹板開裂、跨中下?lián)系炔『?，若在維修加固工程中考慮采用上部結(jié)構(gòu)更換，下部結(jié)構(gòu)改造利用的方案，波形鋼腹板PC組合箱梁橋有著廣泛的適用性。

[1]徐君蘭，顧安邦.波形鋼腹板組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)與受力分析[J].重慶交通學(xué)院,2005,24(2):1-4.

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

[5]KHALID Y A,CHAN C L,SAHARI B B.Bending behaviors of corrugated web beams[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,150(3):242-254.

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責(zé)任編輯：唐海燕

Application of Pre-stressed Concrete Composite Box Girder with Corrugated Steel Web in Old Bridge Transformation

HUANG Hao,ZHENG Guohua

(Anhui Transport Construction & Design Institute Co.,Ltd.,Hefei 230088)

Pre-stressed concrete composite box girder with corrugated steel web is a new type of economical,efficient and convenient steel-concrete composite structure,which has already found wide applications in newly built bridges.During the reconstruction and maintenance of Nanzhao Huaihe river bridge (65+98+65) m,the original upper structure was removed and reconstructed,and the lower part of the bridge was renovated.After a comparative study of pre-stressed concrete composite box girder with corrugated steel web and composite steel box girder bridge,composite box girder with corrugated steel web was chosen to replace the upper structure considering its easy construction,good mechanical behavior,convenient management and low cost.A finite element model of the new corrugated steel composite box girder was built,which showed the plan of using box girder with corrugated steel web meets the project requirement without added weight.

old bridge transformation;pre-stressed composite box-girder with corrugated steel web;finite element model

10.3969/j.issn.1671-0436.2017.01.004

2016-10-26

黃浩(1988— )，男，碩士，工程師。

U445.7；U448.21+6

A

1671- 0436(2017)01- 0019- 05