波形鋼腹板PC箱梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400067)

一、引言

波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)在短短幾十年時(shí)間里飛速發(fā)展，這跟其優(yōu)良的特性離不開關(guān)系。它的主要構(gòu)件大致包括上下混凝土翼緣板、波形鋼腹板以及體外預(yù)應(yīng)力束。波形鋼板外觀呈波浪形，由于材質(zhì)為鋼材，相較于混凝土有更高的抗剪能力。而腹板主要功能就是承擔(dān)剪力，所以鋼腹板恰好順應(yīng)而生。此外，當(dāng)混凝土腹板被替代后，可以減少大量的澆筑模板，且腹板不在預(yù)留孔道布置預(yù)應(yīng)力束，大大降低了施工難度，同時(shí)也加快了工期，節(jié)省了成本。同時(shí)，在橋梁的縱向上，預(yù)應(yīng)力由于不會(huì)被鋼腹板的剛度影響，可以更好的發(fā)揮其作用

二、發(fā)展概況

早在1986年，法國人就已經(jīng)建立了世界上第一座波形鋼腹板PC箱梁橋，隨后又相繼建立了幾座該結(jié)構(gòu)類型的橋，可以說是邁出了重要的一步，為世界發(fā)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)良的主橋形式。

隨后，日本意識到該類橋型的優(yōu)秀特性，從法國引進(jìn)了該橋型技術(shù)，對其做了全面的研究，于是日本第一座波形鋼腹板PC箱梁橋很快得以建成。隨后不久，日本相繼建設(shè)了大量的該類型的橋。在這些橋中，其中包括連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋以及斜拉橋等多種橋型。這樣一來，日本不僅開發(fā)了該橋型的適用范圍，還使其設(shè)計(jì)與施工技術(shù)得以成熟，取得不錯(cuò)的成績。

在我國，20世紀(jì)初末到21世紀(jì)初，許多科研單位波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，取得了一些列的成果，帶動(dòng)著該橋型在我國的應(yīng)用。例如，2005年1月我國建成了長征橋，它是一座波形鋼腹板PC連續(xù)梁人行橋；2005年7月又建成了潑河橋，結(jié)構(gòu)形式為組合箱梁公路橋；隨后的2007年5月銀座人行橋建成，結(jié)構(gòu)形式與潑河橋相似；2015年12月建成的山東鄄城黃河公路大橋，具有許多技術(shù)創(chuàng)新，也為我國的波形鋼腹板橋梁做出表率。

三、基本構(gòu)造

(一)波形鋼腹板PC箱梁的構(gòu)造。此類結(jié)構(gòu)的本質(zhì)便是用波形鋼腹板替換掉混凝土腹板，然后再通過抗剪連接方式進(jìn)行連接。由于混凝土腹板被取締，相應(yīng)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束也同樣沒有埋置的空間，取而代之換用體外預(yù)應(yīng)力束。

(二)波形鋼腹板的形狀。波形鋼主要擁有三個(gè)節(jié)段，即直板段、圓弧段和，三個(gè)階段便組成了一節(jié)波形鋼腹板，再通過適當(dāng)?shù)倪B接即可。波形鋼腹板的外觀要滿足許多要求，其中包括合格的抗剪切能力，同時(shí)還要照顧到施工、經(jīng)濟(jì)性等等相關(guān)情況。波形鋼腹板根據(jù)情況的不同，通常有多種制作工藝，采用較多的為冷彎加工。

(三)波形鋼腹板箱梁的連接。對于波形鋼腹板的連接，很顯然主要存在以下幾個(gè)部位的連接。首先是波形鋼腹板自身之間，然后是腹板與頂?shù)装逯g，再者便是與腹板相連接的橫隔板，最后便是在箱梁內(nèi)的混凝土內(nèi)襯。

由于受限于施工制造技術(shù)，波形鋼腹板往往不能做得和節(jié)段主梁一樣長，需要在縱橋方向進(jìn)行切割，再在施工現(xiàn)場進(jìn)行拼接。如今從鋼結(jié)構(gòu)中我們可以了解到，波形鋼腹板之間的連接現(xiàn)在主要有兩種形式：高強(qiáng)螺栓連接以及焊接。

波形鋼腹板與頂?shù)装宓倪B接，是兩者共同工作的基礎(chǔ)，它需要抵抗兩者接觸面上的縱向剪力，防止產(chǎn)生縱向滑移，而且還保證頂板不被掀起，它的可靠性直接關(guān)系到整橋的承載能力?，F(xiàn)目前，國內(nèi)外主要有四種連接方式，即栓釘連接、型鋼連接、組合連接和嵌入連接，其中使用最多的是型鋼連接。同時(shí)，還需要保證腹板與橫隔梁之間的連接，因?yàn)楦拱逯械募袅π枰ㄟ^橫隔梁才能傳至橋墩。

四、構(gòu)造特點(diǎn)

(一)與預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁橋相比的優(yōu)點(diǎn)

1、自重變低，抗震性能好。出于波形鋼腹板的輕質(zhì)，主梁的自重大大減小，抵抗地震的性能也有一定提高。

2、混凝土腹板被替換后，建筑材料用量減少。同時(shí)，主梁其自重也會(huì)大大降低，使工程費(fèi)用得到有效控制。

3、波形鋼腹板在順橋向的剛度小到可以在實(shí)際工程中忽略，而我們需要在順橋向翼緣板布置預(yù)應(yīng)力鋼束來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力。所以，波形鋼腹板并不會(huì)對順橋向的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生抵抗作用，結(jié)構(gòu)的合理性顯而易見。

4、材料各盡所能。在波形鋼腹板PC箱型梁中，上下混凝土板抗彎，波形鋼腹板抗剪，各司其職。

5、混凝土腹板被替換以后，減少了大量的腹板模板，免去了腹板內(nèi)預(yù)留孔道等復(fù)雜操作。波形鋼腹板可以工廠預(yù)制，再進(jìn)行現(xiàn)場拼接，大大提高了施工進(jìn)度。

6、更換體外預(yù)應(yīng)力鋼筋無需再考慮混凝土腹板，操作更加便捷，非常有利于橋梁的維修和加固。

7、一般的混凝土腹板在外荷載以及自身收縮徐變等影響下，會(huì)發(fā)生腹板開裂的現(xiàn)象。但波形鋼腹板替本身就擁有較強(qiáng)的抗拉性能，不會(huì)出現(xiàn)開裂。

8、造型優(yōu)美。波形鋼腹板箱梁在成橋以后擁有優(yōu)美的外型，非常適合城市以及旅游區(qū)域。

(二)波形鋼腹板的缺點(diǎn)

1、波形鋼腹板制作成本較高，但是隨著技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)工藝突飛猛進(jìn)，這一問題正在慢慢解決。

2、混凝土腹板因其截面面積大，其抗扭轉(zhuǎn)的能力突出，整體穩(wěn)定性較好。波形鋼腹板做不到那么大的橫截面積，抗畸變效果并不如混凝土腹板好。

3、波形鋼腹板的屈服破壞會(huì)比較突然，且在屈服的后階段，承載能力會(huì)下降到與平面鋼腹板差不多。

4、波形鋼腹板由于有較多的曲折，容易滯留雜志，導(dǎo)致腐蝕增加，使用的耐久性有所降低。

雖然波形鋼腹板有一些不足之處，但不管與傳統(tǒng)的PC箱梁還是平面鋼腹板箱梁相比，都具有較為明顯的優(yōu)點(diǎn)，是非常值得推廣的一種橋型。

五、結(jié)論

波形鋼腹板PC箱型梁橋也已經(jīng)有幾十年的歷史，世界上大大小小此類型的橋也已經(jīng)超過幾百座其中日、法兩國尤為突出。從其表現(xiàn)來看，無論是結(jié)構(gòu)形式、預(yù)應(yīng)力體系，還是施工技術(shù)都有許多獨(dú)特之處。

同時(shí)，山丘地形占據(jù)了我國40%國土面積，而修建山區(qū)橋梁是今后一大重要方向。山區(qū)橋梁特點(diǎn)就在于跨境大，減輕橋梁自重的任務(wù)首當(dāng)其沖。波形鋼腹板PC箱型橋優(yōu)秀的受力特性，簡單、便捷的施工技術(shù)，非常適用于山區(qū)地形。

得益于該類結(jié)構(gòu)優(yōu)異的特性，今后無論是梁橋，還是斜拉橋、懸索橋，波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)都將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。