大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計與研究

施智，羅吉智，彭蓉

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(或連續(xù)梁)橋是中國公路大跨徑橋梁中應(yīng)用最廣泛的橋型，該類橋型結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、養(yǎng)護(hù)容易、造價較低，在跨徑不超過200 m的范圍內(nèi)最具競爭力。

然而，多年工程建設(shè)實踐表明：普通大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁橋存在兩類主要工程病害：① 箱梁混凝土腹板開裂；② 主梁跨中持續(xù)下?lián)稀＞科湓蛑饕腔炷粮拱蹇辜?、抗拉?qiáng)度不足，而不斷地加厚腹板則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過重，受力不合理，也不經(jīng)濟(jì)。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋則是通過采用波形鋼腹板取代傳統(tǒng)的混凝土腹板，有針對性地改善普通大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的這兩項弊病。

波形鋼腹板組合截面橋梁的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，限于篇幅，該文僅述及應(yīng)用于連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁橋型的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合截面箱梁橋(以下簡稱“波形鋼腹板PC箱梁橋”，跨徑≥100 m的稱為“大跨徑”)的可行性和優(yōu)勢。

1 當(dāng)前應(yīng)用概況

波形鋼腹板PC箱梁橋源于法國，1986年首座波形鋼腹板橋梁在法國建成，距今已近40年。而該橋型得到廣泛應(yīng)用的卻是在日本。隨著日本大量波形鋼腹板PC箱梁橋的建成，使其在該類橋型的設(shè)計建造水平處于領(lǐng)先地位，日本相繼出臺了相關(guān)的設(shè)計及施工規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指南、手冊等，不斷地完善了波形鋼腹板PC箱梁橋的技術(shù)理論。

中國對波形鋼腹板PC箱梁橋的研究起步于20世紀(jì)90年代中期，而設(shè)計建造始于21世紀(jì)初，2005年1月，中國建成第一座波形鋼腹板PC箱梁人行橋。近10多年來，波形鋼腹板PC箱梁橋在中國公路及市政橋梁中得到了一定的應(yīng)用，已建和在建的橋梁有百余座。

目前世界最大跨徑的波形鋼腹板PC箱梁橋是日本安威川橋，最大主跨徑為179 m，中國有很多普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁橋的跨徑超過了這個跨徑。而中國已建成的波形鋼腹板PC箱梁橋主要跨徑范圍為50～150 m，目前中國在建的波形鋼腹板PC箱梁橋最大跨徑為160 m，未來可在更大的跨徑上做些嘗試。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋在日本和中國也建造了很多，從目前運營的情況看，沒有發(fā)現(xiàn)存在明顯的結(jié)構(gòu)通病，且該橋型的理論研究及使用經(jīng)驗正日趨成熟。因此，結(jié)合目前的使用情況，可認(rèn)為大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋是值得推廣應(yīng)用的一種橋型。

2 結(jié)構(gòu)特點

波形鋼腹板PC箱梁橋是由混凝土頂?shù)装迮c波形鋼腹板組成的組合結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋衍生出來的一種新結(jié)構(gòu)，所以整體結(jié)構(gòu)受力特性與普通混凝土箱梁橋相似。但也有其不同特點：

(1)采用波形鋼腹板代替混凝土腹板，結(jié)構(gòu)自重可減輕達(dá)20%。但對于大跨徑的連續(xù)梁橋，由于在主墩附近的波形鋼腹板內(nèi)側(cè)，設(shè)置了為防鋼板失穩(wěn)屈曲的里襯混凝土段，故整體結(jié)構(gòu)自重減輕僅為10%左右；但減輕的部位集中在跨中，所以對主梁彎矩的減小效果很明顯。上構(gòu)自重減輕的另一好處，可以減少下構(gòu)工程量，降低造價。

(2)由于波形鋼腹板縱向伸縮剛度很小可以忽略，所以波形鋼腹板PC箱梁受力明確：軸向力基本由混凝土頂、底板承擔(dān)，剪力基本由波形鋼腹板承受(87%左右)。由于沒有腹板的約束，張拉頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力的效率明顯提高，且頂?shù)装宓氖湛s徐變變形不會向腹板轉(zhuǎn)移，從而避免了傳統(tǒng)混凝土箱梁腹板斜向開裂的通病，進(jìn)而也減少跨中下?lián)稀?/p>

(3)對于大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋，一般在箱內(nèi)設(shè)置若干體外預(yù)應(yīng)力束，以提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪承載力，并有利于減少跨中下?lián)稀?/p>

(4)相對于普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，波形鋼腹板PC箱梁的截面抗扭剛度下降約60%。對大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋，可通過在箱內(nèi)設(shè)置若干道橫隔板來解決這不利影響，同時部分橫隔板亦作為體外束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使用。

(5)由于波形鋼腹板PC箱梁結(jié)構(gòu)較輕巧，采用懸臂澆筑施工時節(jié)段可以更長一些；而且采用鋼腹板后減少了鋼筋的綁扎量和混凝土的澆筑量，從而有效縮短工期；另外，利用鋼腹板作承重構(gòu)件進(jìn)行懸臂澆筑施工(簡稱“RW工法”)(圖1)，可以顯著減小掛籃尺寸和重量，輕巧的掛籃加設(shè)計行走裝置后，可在鋼腹板頂自由行走，使施工更方便，工期更短。

圖1 波形鋼腹板PC箱梁橋懸臂施工RW工法示意圖

3 工程設(shè)計實例

3.1 工程概況

龍馬紅水河特大橋是廣西某高速公路上的一座橋梁。橋梁總長634.08 m，主橋為雙幅(95+180+95)m的連續(xù)剛構(gòu)橋。為便于研究和比較，對該主橋先后作了波形鋼腹板PC箱梁橋和普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋兩種方案同深度的施工圖設(shè)計。圖2為波形鋼腹板PC箱梁橋方案的橋型立面圖。

圖2 龍馬紅水河特大橋波形鋼腹板PC箱梁橋方案橋型立面圖(單位：cm)

3.2 主要設(shè)計參數(shù)

(1)主梁結(jié)構(gòu)尺寸。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋抗彎剛度比普通混凝土箱梁下降約10%，但結(jié)構(gòu)自重也減輕10%左右，所以其主梁梁高可以取與普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋一致或略高。該方案的主墩支點梁高采用11.25 m，跨中梁高采用4.2 m；支點梁高h(yuǎn)支=L/16,跨中梁高h(yuǎn)中=L/43，比普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的梁高略高。

(2)大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋的頂、底板厚度與普通預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁基本相當(dāng)。該方案的箱梁頂板厚度采用34 cm(考慮橫向受力需要)，跨中處底板厚度采用30 cm，支點處底板厚度采用120 cm。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁斷面見圖3。

圖3 大跨徑波形鋼腹板PC箱梁斷面圖(單位：cm)

(3)波形鋼腹板一般由卷材或板材彎折而成，通常橋梁中采用的波形鋼腹板是等波長的，按波長將波形鋼腹板分類，1600型是目前中國廠家生產(chǎn)的最大型號，主要用于大跨徑橋梁。該方案采用1600型波形鋼腹板，即波長為1.6 m；主梁支點處波形鋼腹板高度達(dá)8.92 m，鋼板厚度采用30 mm；跨中處高度為2.78 m，鋼板厚度采用12 mm；中間區(qū)段鋼板厚度采用14、22、28 mm過渡。鋼板材料采用耐候鋼，無需防腐涂裝，正常環(huán)境壽命可達(dá)50年以上。

(4)大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋要在主墩支點附近設(shè)置一段里襯混凝土，其一是為了使波形鋼腹板與支點0#塊混凝土之間應(yīng)力傳遞均勻；其二是為了防止波形鋼腹板的屈曲。對于防止鋼腹板屈曲，經(jīng)驗做法是超過5 m高的波形鋼腹板均要設(shè)里襯混凝土。該方案的里襯混凝土段長度為20.5 m，最厚平均厚度(取波形鋼腹板波峰、波谷處兩者的平均值)為115 cm，最薄平均厚度為35 cm。該方案不設(shè)里襯混凝土的波形鋼腹板最大高度為6.633 m，比上述經(jīng)驗值(5 m)略高，但屈曲驗算仍可滿足要求。方案在鋼腹板屈曲失穩(wěn)滿足要求的前提下，通過適當(dāng)減小里襯混凝土長度來減輕結(jié)構(gòu)自重。

(5)大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋的頂、底板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的布置，與普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋基本一致；由于沒有混凝土腹板，故無體內(nèi)腹板下彎束。因此，為提高主梁整體抗剪能力，增加墩頂正截面強(qiáng)度，減小跨中下?lián)?，需設(shè)置一些體外預(yù)應(yīng)力束，形成體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力并用的方式。一般體內(nèi)預(yù)應(yīng)力主要用來承擔(dān)恒載效應(yīng)，而體外預(yù)應(yīng)力則主要用來抵抗活載效應(yīng)。體外預(yù)應(yīng)力束可定期更換，對抑制主梁跨中持續(xù)下?lián)鲜钟欣Ｔ摲桨傅捏w內(nèi)預(yù)應(yīng)力頂板束采用19φs15.2和22φs15.2兩種規(guī)格的鋼絞線束，頂板合龍束采用19φs15.2；中跨底板束采用17φs15.2，邊跨底板束采用15φs15.2。體外預(yù)應(yīng)力束均采用22φs15.2的鋼絞線束，其中中跨用6束，邊跨用4束，并且每跨留有2束的備用孔(圖4)。

圖4 大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力束布置示意圖(單位：cm)

3.3 主要計算結(jié)果

大跨徑波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋與普通混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的計算內(nèi)容基本一致，其不同之處在于鋼腹板的計算。根據(jù)波形鋼腹板橋的結(jié)構(gòu)特點，主要從以下幾方面來進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算。

(1)主梁抗彎承載力

與普通混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的驗算方法一致，重點驗算主墩支點處和中跨跨中處的主梁正截面抗彎承載力(表1)。

從表1可知：主梁主墩處及中跨跨中處的正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求，并略有富余。其余截面也均滿足規(guī)范要求。

表1 主梁正截面抗彎承載力主要計算結(jié)果

(2)主梁抗剪承載力

波形鋼腹板剛構(gòu)橋抗剪計算分純鋼腹板梁段和設(shè)里襯混凝土鋼腹板梁段兩種情況：① 純鋼腹板梁段，假定剪力全由波形鋼腹板承擔(dān)且剪力均勻分布；② 里襯混凝土鋼腹板梁段，考慮鋼腹板和里襯混凝土共同承擔(dān)剪力。

根據(jù)計算結(jié)果，純鋼腹板梁段最不利的抗剪截面是邊跨3L/4截面和邊跨L/2截面，均滿足承載力要求。具體結(jié)果見表2。

表2 波形鋼腹板梁段抗剪承載能力驗算結(jié)果

而里襯混凝土鋼腹板梁段由于有里襯混凝土的參與，其抗剪承載力明顯富余很多。具體結(jié)果見表3。

(3)主梁抗裂驗算

主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，根據(jù)行業(yè)設(shè)計規(guī)范(JTG 3362—2018)要求，按以下公式進(jìn)行主梁正截面抗裂驗算：

σst-0.80σpe≤0

(1)

主要控制截面正常使用極限狀態(tài)截面抗裂驗算結(jié)果見表4。

表3 里襯混凝土波形鋼腹板梁段抗剪承載能力驗算結(jié)果

表4 主要控制截面正常使用極限狀態(tài)截面抗裂驗算結(jié)果

(4)混凝土最大壓應(yīng)力

根據(jù)規(guī)范(JTG 3362—2018)要求，按以下公式進(jìn)行主梁受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力驗算：

未開裂構(gòu)件：

σkc+σpt≤0.5fck

(2)

該方案主梁混凝土采用C60，0.5fck=19.25 MPa。受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力計算結(jié)果見表5。

表5 受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力計算結(jié)果

從表5可知：主梁受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力值為16.6 MPa，小于0.5fck=19.25 MPa，滿足規(guī)范要求，且有一定的安全富余。

(5)撓度驗算

根據(jù)規(guī)范(JTG 3362—2018)要求，消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后，主梁在汽車(不計沖擊力)和人群荷載頻遇組合作用產(chǎn)生的最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/600。具體撓度計算結(jié)果見表6。

表6 撓度驗算結(jié)果

(6)鋼腹板屈曲驗算

波形鋼腹板一般都很薄，所以穩(wěn)定性驗算是重要的驗算內(nèi)容。一般應(yīng)考慮局部屈曲、整體屈曲及合成屈曲3種失穩(wěn)模態(tài)。理論公式及符號意義可參考文獻(xiàn)[1]，表7為主橋鋼腹板屈曲驗算結(jié)果。

從表7可以看出：合成屈曲控制結(jié)構(gòu)安全，而最不利的截面為中跨L/4截面，其最小安全系數(shù)為1.4，≥1，滿足要求。

(7)波形鋼腹板與頂?shù)装暹B接抗剪驗算

波形鋼腹板與頂板采用翼緣型Twin-PBL剪力鍵連接方式，與底板采用翼緣型角鋼剪力鍵連接方式。由于國家標(biāo)準(zhǔn)未頒布，因此參考了廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 44/T 1393—2014《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計與施工規(guī)程》來驗算連接件的抗剪承載力，公式如下：

γ0Vsd≤Vpud

(3)

式中：Vsd為對應(yīng)頂板連接為翼緣型Twin-PBL剪力鍵開孔板的單孔水平設(shè)計剪力，對應(yīng)底板連接為一處角鋼剪力鍵的水平設(shè)計剪力；Vpud為頂板(或底板)連接件單孔(或每處)的水平抗剪承載力設(shè)計值。

波形鋼腹板與頂、底板連接抗剪承載力驗算結(jié)果見表8。

表7 承載能力設(shè)計荷載作用下波形鋼腹板剪切屈曲驗算結(jié)果

表8 波形鋼腹板與頂、底板連接抗剪承載力驗算結(jié)果

由表8可以看出：波形鋼腹板與箱梁混凝土頂、底板連接處抗剪承載力滿足規(guī)范的要求，其中最大剪力均出現(xiàn)在主橋中支點附近。

該方案還進(jìn)行了橋梁其他項目的驗算，驗算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，不再一一列出。

3.4 經(jīng)濟(jì)比較

大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋因腹板用鋼量較大，所以其工程造價受市場鋼材價格影響較大。表9為該橋主橋波形鋼腹板與普通混凝土腹板箱梁方案的設(shè)計預(yù)算數(shù)據(jù)比較。

由表9可知，就主橋而言，波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)方案比普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案費用高4.6%左右；如果鋼材價格低時，則波形鋼腹板方案的造價會低些；由于有一岸巖石裸露，有兩個橋墩基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，波形鋼腹板方案減輕的恒載重量對減少基礎(chǔ)工程數(shù)量的作用未能充分體現(xiàn)，如在地基覆蓋層較深需要采用摩擦群樁基礎(chǔ)時，則作用明顯；另外波形鋼腹板方案采用的施工掛籃重量僅為傳統(tǒng)掛籃的1/2，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益在對比表中也未能充分體現(xiàn)?？傮w而言，可以認(rèn)為該橋的波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)方案與普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案的造價基本相當(dāng)，但施工工期能夠節(jié)省60個工作日，具有明顯的時間效益。

表9 主橋兩種方案設(shè)計主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

3.5 設(shè)計小結(jié)

該橋主跨為180 m的連續(xù)剛構(gòu)，采用波形鋼腹板PC箱梁橋的方案，各項力學(xué)指標(biāo)均能滿足有關(guān)規(guī)范要求，且施工工期較普通混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋明顯縮短，造價基本相當(dāng)，因此方案相對更優(yōu)。

4 思考與探索

通過大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋的設(shè)計實踐，提出如下思考：

(1)根據(jù)中國有關(guān)研究，波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)(或連續(xù)梁)橋最大跨徑可達(dá)310 m。如果要實現(xiàn)更大跨徑的突破，現(xiàn)有的波形鋼腹板型號不足以勝任，建議廠家進(jìn)行更大尺寸(如2400型)波形鋼腹板的研發(fā)，以備將來之需。

(2)里襯混凝土段的設(shè)置長度，也是制約大跨徑波形鋼腹板PC箱梁發(fā)展的重要問題。按以往控制鋼腹板高度的經(jīng)驗方法來設(shè)置里襯混凝土段，會很長；結(jié)構(gòu)自重減輕不明顯，經(jīng)濟(jì)性變差。為此，下一步需要對里襯混凝土段的設(shè)置做更多的研究。初步的幾個想法：① 鋼腹板采用加勁肋提高抗屈曲能力；② 采用高強(qiáng)、輕質(zhì)新材料，減薄、減輕里襯混凝土段；③ 只在鋼腹板部分高度范圍內(nèi)設(shè)里襯混凝土。

(3)對于更大跨徑的波形鋼腹板連續(xù)梁橋，體外束和體內(nèi)束的設(shè)置比例是一個值得研究的問題。體外束可減小主梁跨中下?lián)希ㄆ诟鼡Q能有效解決預(yù)應(yīng)力損失的問題；但需要轉(zhuǎn)向和減振裝置，且更換時對交通有一定影響。日本有些工程師傾向于多設(shè)體外束，利于更換。而中國目前的做法是體內(nèi)束設(shè)置多一些，讓體內(nèi)束承擔(dān)所有恒載的內(nèi)力。因此對這個設(shè)置比例問題值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

波形鋼腹板PC箱梁橋的應(yīng)用已有30多年，特別在日本應(yīng)用廣泛，理論體系和相關(guān)規(guī)范較完備，工程實踐日趨成熟，應(yīng)用于大跨徑梁橋的實例也很多，目前沒有發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)通病。在中國，近些年來也逐步推廣應(yīng)用，但總體數(shù)量不多，跨徑不大，與中國在這方面的理論體系不夠完善和相關(guān)經(jīng)驗不足有關(guān)。

該文結(jié)合實橋的設(shè)計實踐，對該橋型進(jìn)行了較深入的研究和探討。希望能為波形鋼腹板PC箱梁橋向更大跨徑的方向發(fā)展提供有益的經(jīng)驗借鑒。