波形鋼腹板組合梁橋的技術(shù)與發(fā)展

吳啟明 董桔燦

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518029）

1 發(fā)展概況

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

日本是此類橋梁建設(shè)較多的國(guó)家，已建數(shù)量超過(guò)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(guó)內(nèi)應(yīng)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(zhǎng)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(biāo)志我國(guó)已進(jìn)入成規(guī)模的應(yīng)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(yáng)溝大橋?yàn)閲?guó)內(nèi)跨徑最大的部分斜拉橋，跨徑組合（58+118+188+108）m，技術(shù)難度較高。

2 空間力學(xué)特性

2.1 剪力滯效應(yīng)和翼緣有效寬度

國(guó)內(nèi)公橋規(guī)及國(guó)外BS5400、Eurocode4、AASHTO有關(guān)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(yīng)進(jìn)行進(jìn)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(diǎn)處的頂板應(yīng)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(guān)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(yīng)。

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

圖1 應(yīng)力分布

剪力滯效應(yīng)與荷載形式有關(guān)，研究表明，集中荷載作用下的剪力滯效應(yīng)需要高于均布荷載?，F(xiàn)有的規(guī)范針對(duì)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(shí)，安全性較低。除此之外，汽車活載的情況較為復(fù)雜，其荷載包括均布荷載、集中荷載，且需要按照影響線進(jìn)行最不利加載，因此，常規(guī)的分析方法無(wú)法適用，建議采用差分法對(duì)剪力滯效應(yīng)微分方程進(jìn)行數(shù)值求解。

2.2 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

扭轉(zhuǎn)包括剛性扭轉(zhuǎn)、畸變，針對(duì)剛性扭轉(zhuǎn)，目前常采用烏二理論進(jìn)行分析，其基于變形協(xié)調(diào)、幾何方程和物理方程建立關(guān)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(gòu)件，與實(shí)際情況不符，且該理論忽略了部分變形能項(xiàng)，導(dǎo)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(chǔ)上考慮截面框架變形和翼緣板彎曲變形。通過(guò)變量變分法可得到關(guān)于畸變角的四階微分方程。波形鋼腹板的力學(xué)特性較復(fù)雜，其力學(xué)模型更接近正交異性板，在扭轉(zhuǎn)荷載作用下，變形模式的具體形式需要進(jìn)一步研究，傳統(tǒng)的畸變分析理論不再適用。

針對(duì)上述剛性扭轉(zhuǎn)和畸變兩種效應(yīng)，提出了基于廣義坐標(biāo)法的扭轉(zhuǎn)畸變耦合理論，且確定廣義坐標(biāo)是解決問(wèn)題的關(guān)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(yīng)用，如鄭州朝陽(yáng)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(jì)算時(shí)，不可簡(jiǎn)單按均勻進(jìn)行分配處理。通常情況下，中間腹板的剪力應(yīng)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(yáng)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(yáng)溝特大橋腹板剪力分配系數(shù)沿橋梁縱向的分布

3 設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 概念設(shè)計(jì)

波形鋼腹板PC橋梁的結(jié)構(gòu)形式包括簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、斜拉橋。針對(duì)截面形式，普遍采用單室箱截面。相關(guān)文獻(xiàn)指出，具有多室箱梁的波形鋼腹板結(jié)構(gòu)中，若干問(wèn)題仍未明確，有必要進(jìn)行詳細(xì)研究。若相關(guān)問(wèn)題可使用試驗(yàn)、FEM分析等進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可應(yīng)用多室箱截面。主要問(wèn)題包括各腹板分擋的剪力的比例、扭轉(zhuǎn)剛度的評(píng)價(jià)方法、翹曲應(yīng)力的計(jì)算方法、板的設(shè)計(jì)彎矩的計(jì)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(jì)合理。

3.2 波形鋼板的設(shè)計(jì)

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(hào)波高較小，可提高剪切局部屈曲強(qiáng)度，但會(huì)降低剪切整體屈曲強(qiáng)度?？鐝捷^小時(shí)宜采用1000型，跨徑較大時(shí)宜采用1600型。與此同時(shí)，應(yīng)考慮考慮運(yùn)輸條件、施工可行性、經(jīng)濟(jì)性等。

隨著技術(shù)進(jìn)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(shí)際工程需求，提出了更大規(guī)格的2400型。當(dāng)板厚較大時(shí)，2400型擁有更高的剪切屈曲承載力。波形鋼腹板厚度34 mm時(shí)，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(duì)比

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

3.3 連接件的設(shè)計(jì)

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

針對(duì)埋入式連接件，相關(guān)資料表明，其具有充分的疲勞強(qiáng)度，設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)注意波形鋼腹板與混凝土底板耐腐蝕性的問(wèn)題。針對(duì)雙開(kāi)孔鋼板連接件方面，混凝土銷的驗(yàn)算難度較大，可考慮橢圓孔，深圳東寶河大橋中支點(diǎn)附近采用此種開(kāi)孔方式。針對(duì)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(huì)降低疲勞性能，推薦采用與角鋼不焊接的方式。

3.4 內(nèi)襯與墩頂節(jié)段的設(shè)計(jì)

中支點(diǎn)附近設(shè)置內(nèi)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(diǎn)附近的波形鋼腹板由于承受豎向反力，應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，抗屈曲能力降低，因此，須在中支點(diǎn)附近設(shè)置內(nèi)襯。《波型鋼腹板組合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 272—2017）中規(guī)定，內(nèi)襯混凝土的長(zhǎng)度不小于支點(diǎn)處梁高，內(nèi)襯混凝土的厚度應(yīng)根據(jù)抗剪承載力和斜截面抗裂計(jì)算確定，最薄處不宜小于20 cm。

3.5 橫隔板的設(shè)計(jì)

橫隔板是提高波形鋼腹板組合箱梁抗扭能力的重要構(gòu)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(zhuǎn)效應(yīng)較為顯著，應(yīng)按照更小的間距設(shè)置橫隔板?！恫ㄐ弯摳拱褰M合梁橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 272—2017）指出，中等跨徑的工程實(shí)例中，橫隔板間距為10～25 m，橫隔板設(shè)置的具體措施，需要完善扭轉(zhuǎn)分析理論。

4 結(jié)語(yǔ)

作為一種力學(xué)性能優(yōu)秀的新型組合結(jié)構(gòu)，波形鋼腹板組合梁橋的技術(shù)已日趨成熟，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為其技術(shù)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(zhì)量。