波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥（以下简称波形钢腹板PC箱梁桥），就是用波形钢腹板取代预应力混凝土箱梁的混凝土做腹板的箱形梁桥。 波形钢腹板PC箱梁桥源于法国，却因其造价较低，抗震性能好而盛行于日本。自1993建成第一座波形钢腹板PC箱梁桥——新开桥，日本进行了大量系统的研究，成为其高速公路推荐桥型，至今已建200余座。 我国的波形钢腹板PC箱梁桥虽然起步较晚，但发展迅速。鄄城黄河公路大桥（70m+11×120m+70m）波形钢腹板PC连续梁主桥联长1460m，南昌朝阳赣江大桥波形钢腹板预应力混凝土桥总长1610m，其规模已超过日本的宫家岛高架桥1432m的纪录；珠海前山河大桥主跨160m的设计已与最大跨径为164m的日本丰田巴川桥相接近。可以说，经过我国桥梁人的努力，国内波形钢腹板PC箱梁桥的技术水准已步入世界前列。 为了诠释波形钢腹板PC箱梁桥的优势与特点，本文选取了我国的鄄城黄河公路大桥、南昌朝阳大桥，以及伊朗BR-06号桥，分别从经济性、规模化应用、抗震性能等特点进行详细说明。 鄄城黄河公路大桥——经济性佐证 鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大型桥梁，地处山东省南部鄄城县以北，位于山东与河南两省交界处，是规划建设的德（州）至商（丘）高速公路的一个重要控制工程。鄄城黄河大桥桥孔布置为（由北向南）：9×50m折线配筋预应力混凝土简支T梁＋（70m＋1 1×1 2 0m＋70m）波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁＋58×50m折线配筋预应力混凝土简支T梁。主桥为1460m（13跨）波形钢腹板PC连续梁桥，为同类桥规模世界第一。 波形钢腹板与顶底板采用了埋入式连接，这种连接形式的优点是构造简便、造价较低、施工方便、抗疲劳性好。由于上部结构重量的减轻给桩基工作带来了很大的节约，故其造价节约了22%，远大于日本统计的8%。 波形钢腹板PC箱梁桥的经济性还表现于施工的快捷。鄄城黄河公路大桥混凝土梁悬臂施工中严格按设计要求的张拉龄期不低于5d控制。由于该悬臂施工桁车体系就位、模板安装工效高，加之一个节段混凝土方量较常规PC结合梁少25%以上，钢筋及预应力管道安装及后期张拉压浆作业量相当少，使得一个节段比常规PC梁节省工期25%左右。同时，由于波形钢腹板PC结合梁节段长度大（一般为4.8m），相同跨度的桥梁节段数量相对较少，因此，总体工期节省了30%以上。 鄄城黄河桥作为中国第一座较具规模的波形钢腹板PC箱梁桥，设计中较好地体现了其经济性和施工方便的两大特点。从而为波形钢腹板PC箱梁桥在我国的推广应用做出了开拓性贡献。 南昌朝阳大桥——规模化应用 朝阳大桥位于南昌大桥与生米大桥之间，西岸连接红谷滩地区、东岸连接朝阳新城地区，与九州高架相接，成为连接赣江两岸的又一重要纽带。 朝阳大桥总体上由跨越赣江的157 6 m主桥（包括通航孔908m及非通航孔668m）和东岸接线、西岸接线组成，全长3.118km。主桥部分全长约1.6km，分为通航孔桥和非通航孔桥。通航孔布置采用六塔单索面斜拉桥（79+5×150+79m)，采用单箱五室波形钢腹板PC组合梁。 主梁标准段由混凝土顶底板、波形钢腹板、钢横梁体系、钢锚箱体系、人非通道体系组成；上层为机动车道，下层为非机动车及人行通道；在中间17、18号墩设置两侧贯通的观景平台，为市民提供良好的休闲观光场所。 在我国波形钢腹板PC箱梁桥的应用发展中，南昌朝阳大桥起到里程碑的作用。其技术难度与亮点如下： ◆ 波形钢腹板PC箱梁桥的应用规模为世界之最。 ◆ 79+5×150+79m跨波形钢腹板PC组合六塔斜拉桥为当前最长的波形钢腹板PC组合斜拉桥。 ◆ 宽达45.84m的波形钢腹板单箱四室断面可与日本矢作川桥类比，属宽箱多室。 ◆ 非通航孔50m跨波形钢腹板PC箱梁桥应用，将有力地促进组合梁桥在我国中小跨径桥梁中的应用。 伊朗BR-06号桥——抗震性佐证 伊朗德黑兰北部高速公路，是连接首都德黑兰至里海南岸滨海城市恰卢斯的一条主要交通干线。其中BR-06特大桥位于伊朗德黑兰北部山区，在塔隆河谷与桑干河谷交汇处的上游跨越桑干河谷。桑干河谷深切，坡岸陡立，谷底到桥面高达80余米。 BR-06桥跨径设置为83+153+83m，横向采用双幅布置，单幅桥宽13.1m，设计行车速度80km/h，设计荷载采用伊朗桥梁设计荷载规范的标准，设计抗震烈度为9度，桥梁结构设计按美国规范AASHTO进行。 BR-06桥之所以选择波形钢腹板预应力混凝土连续梁作为其上部构造，最主要的原因就是其抗震性能优于习用的预应力混凝土箱形连续梁。在方案比选阶段，设计者在采取同样减隔震措施条件下，对80+150+83m预应力混凝土连续梁与83+153+83m波形钢腹板预应力混凝土连续梁作了对比计算。结果证明了波形钢腹板预应力混凝土箱梁的抗震优越性。 BR-06特大桥位于9度地震区，根据《伊朗公路、铁路桥梁抗震设计标准》，其设计地震波加速度动峰值为0.35g。参照美国规范及中国规范，9度地震区设计地震波及速度动峰值为0.40g。所以，在此次抗震分析计算中，选用了7条人工合成地震波，其地震动加速度峰值均在0.40g附近。将这7条地震波作为BR-06特大桥的E1水准设计加速度时程，简称设计地震波。时程分析结果取7组地震波作用包络值的平均值。在设计地震波作用下，结构体系完好，处于弹性工作阶段，上下部结构满足强度设计要求。 伊朗地震局提供了三次实测强震记录，其地震加速度动峰值横波为0.48～0.796g，纵波为0.505～0.816g，均远大于9度地震区伊朗规范规定的0.35g和中国、美国规范的0.40g。为此，将伊朗提供的地震波视作E2水准设计依据，作结构的延性设计验算，结构在此情况下不会完全破坏，处于弹塑性工作阶段，经过适当维修后，结构可投入正常使用。取地震局提供的3组地震波对结构作用的最大值（包络值）对结构极限承载力及位移进行验算。 作为减隔震措施，本桥采用了摩擦摆支座。摩擦摆隔震支座利用上下座板与中座板间的滑动摩擦来耗散能量，增大结构阻尼。 设计方案与相应的一般预应力混凝土箱形连续梁桥方案抗震计算结果作了对比。部分对比结果如下表： 计算表明：本桥的抗震计算中,与普通PC桥方案相比，波形钢腹板PC箱梁桥方案中的阻尼器、支座、桥墩及基础的受力均有10%～25%的减小,表现出较好的抗震性能。 表3列出了中、日两国几座波形钢腹板预应力混凝土桥每平方米桥面材料用量指标，由对比得知，中、日两国波形钢腹板预应力混凝土桥总体设计水平是相当的。 世界上对波形钢腹板PC组合箱梁结构力学特性的研究主要集中在抗弯、抗扭、抗剪和结构稳定性几方面。我国也开展了波形钢腹板PC组合箱梁受力特性研究和桥梁的设计与建造工作。国内各大院校、设计单位、施工单位对这种箱梁结构进行了深入研究，研究工作主要分为两个阶段：1.对波形钢腹板组合结构箱梁桥基本性能的了解与设计假定的证实；2.波形钢腹板PC箱梁桥实用技术研究。 波形钢腹板PC箱梁桥基本性能 1.波形钢腹板PC箱梁断面的平截面假定 平截面假定在钢筋混凝土构件的弯曲应力计算中被广泛应用。对于一般的钢-混凝土组合梁而言，在计算弯曲应变时普遍采用了平截面假定，大量的试验数据也证实了平截面假定的采用是可行的，计算精度能保证工程需要。对于波形钢腹板-混凝土组合箱梁而言，由于波形钢腹板纵向受力时有效弹性模量极小，其抗弯贡献可以忽略不计，只需考虑组合箱梁上、下翼板的抗弯作用。因此，在进行波形钢腹板混凝土组合箱梁的弯曲应力计算时，平截面假定是否成立仍是值得研究的问题。 对于波形钢腹板-混凝土组合箱梁的截面变形和平截面假定的关系研究表明：波形钢腹板正应变基本为零，混凝土顶底板正应变则符合线性分布规律，混凝土顶、底板截面纵向应变符合“拟平截面假定”是可行的，并且根据此假定计算的翼板弯曲应力值和有限元法计算结果相吻合，从而理论上“拟平截面假定”为波形钢腹板混凝土组合箱梁的弯曲应力计算及抗弯承载力计算提供了必要的变形协调条件。图5为弯曲应力分布。 2.箱梁断面剪力由钢腹板承担且剪应力在腹板上均匀分布 在传统的混凝土腹板箱梁中，截面产生的弯曲剪力相对较小，一般均忽略不计。而波形钢腹板组合箱梁中，剪力绝大部分是由波形钢腹板来承担，而且其剪应力和混凝土腹板中的分布情况不同。 对波形钢腹板上剪应力分布的研究表明：波形钢腹板中性轴处（剪应力最大处）的剪应力与腹板顶部（腹板较小剪应力处）的剪应力基本相等。同样，波形钢腹板中性轴处（剪应力最大处）的剪应力与腹板底部（腹板较小剪应力处）的剪应力也基本相等，即表明波形钢腹板沿腹板高度上的剪应力均匀分布（如图6）。 3.波形钢腹板屈曲特性研究 波形钢板是波形钢腹板PC组合箱梁结构中最具特点的构件。随着桥梁跨径的增大，腹板的高度也相应增高。作为箱梁腹板的波形钢板，其截面厚度一般仅为10～20mm，相当于普通混凝土腹板厚度（300～800mm）的几十分之一。因此，其破坏形式也由混凝土腹板的强度破坏转变为波形腹板的失稳破坏。 国内研究表明，波形钢腹板梁的剪力完全由腹板承担，而且钢腹板的破坏是由于屈曲造成的。当波纹较密时，由整体屈曲强度控制；当波纹较疏时，由局部屈曲控制。而在屈曲过程中，又有可能伴随着两种屈曲组合成的组合屈曲。图7显示出了局部屈曲和整体屈曲破坏模式。 图8为考虑了塑性变形后波形钢腹板组合屈曲临界应力与折算高厚比的关系曲线。 4.波形钢腹板PC箱梁桥扭转与畸变 区别于传统混凝土桥， 波形钢腹板P C 箱梁桥以8～30mm钢腹板代替30～80cm的混凝土腹板，其抗扭刚度降低。因此，技术人员通过设置一定的横隔提升其横向抗扭刚度，但单箱双（多）室的扭转与畸变影响未知。国内通过多座单箱多室桥梁对扭转与畸变影响进行研究。 通过试验、计算分析研究得出结论如下： ◆ 在相同等级偏载作用下，单箱双室波形钢腹板组合箱梁的扭转畸变效应与单箱双室混凝土箱梁相比，顶、底板混凝土翘曲正应变相对较大，而腹板翘曲正应变较小，附加剪应力较大。 ◆ 改变波形钢腹板倾斜角度对单箱双室波形钢腹板组合箱梁的扭转、畸变效应影响不大。畸变荷载作用下，单箱双室波形钢腹板组合箱梁主要产生畸变翘曲正应力，畸变剪应力较小。 ◆ 与单箱双室混凝土箱梁相比，单箱双室波形钢腹板组合箱梁的畸变翘曲正应力与弯曲正应力的比值较大。这是由于波形钢腹板组合箱梁的腹板一般较薄，使得波形钢腹板组合箱梁截面的抗畸变框架刚度及横向抗弯惯性矩均减小，波形钢腹板组合箱梁截面产生的横向框架畸变角相对混凝土箱梁较大。 工程实用技术研究 1.抗剪连接键研究与开发 波形钢腹板PC箱梁桥采用的抗剪连接件有：角钢剪力键、开孔板剪力键、栓钉剪力键和埋入式剪力键等（如图10）。角钢剪力键、开孔板剪力键、栓钉剪力键为有翼缘板的连接方法，而埋入式剪力键为无翼缘板的连接方法。以上连接件均是经实验和工程实践验证的可靠的连接形式，其特性如表4。
2.大跨度桥梁钢腹板混凝土里衬的受力机理当波形钢腹板预应力混凝土桥跨超过150m后，梁高达8～9m，波形钢腹板高达到7m以上。日本关于波形钢腹板PC箱梁桥的规范规定，当梁高大于5m时就应设置混凝土内衬。但大跨度桥梁中，高度超过5m的波形钢腹板的梁段较长，内衬混凝土段钢腹板——混凝土剪力分配机理尚不明确，如果进行保守设计，考虑剪力完全由钢腹板承担，势必造成结构承载力的浪费。因此，为进一步明确结构受力机理，有必要针对墩顶附近梁段过渡区构造与内衬混凝土的设计方法进行研究，明确钢混结合段剪力分配与内衬混凝土的设计方法。
对钢混组合段剪力分配问题的研究表明：内衬混凝土能够增加腹板的有效抗剪面积，为波形钢腹板分担剪力，且同一截面的剪应变分布基本相等，可按剪应变相等简化求解波形钢腹板与内衬混凝土之间的剪力分配关系。基于设计构造的要求，内衬混凝土厚度一般不小于20cm；当内衬混凝土厚度大于20cm时，腹板所承受的剪力大部分由内衬混凝土承担，且混凝土节段长度的变化不会对其分配结果造成大的影响。 3.中小跨径波形钢腹板PC箱梁桥通用图国内桥梁的建设中，中小跨径桥梁占桥梁建设总数的95%以上。因此，推广组合结构桥梁的应用，必然要拓展中小跨径波形钢腹板PC箱梁桥的通用图。在这方面，河南省已经走在前列，编制出河南省《分阶段施工装配式波形钢腹板预应力混凝土箱梁上部构造通用图》，适用跨径包括30m、40m、50m、60m，并经交通部审查通过。
4.标准的制定 从2005年建造国内第一座波形钢腹板PC箱梁桥——光山泼河桥以来，至今已超过了70座，其设计、施工期间一直参考日本波形钢腹板PC箱梁桥的规范、国内钢结构设计规范、混凝土桥规范进行设计与施工。然而，由于上述规范对波形钢腹板PC箱梁桥的特性及设计施工要点均不明确，对设计、施工指导意义不足，阻碍国内波形钢腹板PC箱梁桥的发展。 鉴于现状，国内工程人员结合国内波形钢腹板PC箱梁桥的科研、实践，组织相关人员编制了一系列设计与施工地方标准。现行标准包括如下： 《组合结构桥梁用波形钢腹板》—— JT/T784-2010。 《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》(DB41/T643-2010)；河南省地标。 《波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程》DB44/T1393-2014广东省地方标准（该标准现已由建设部批复编制国家标准）。 就目前来看，波形钢腹板PC箱梁桥的宏观力学特性、结构机理基本正确，能够指导设计与施工。但仍有部分计算分析尚未明确，需要进一步研究： ◆ 扭转与畸变影响的明确计算：现行理论与试验研究仅限于影响，尚未给出明确的计算公式，有待于进一步研究分析。 ◆ 横隔板的合理配置：钢腹板较混凝土腹板降低抗扭刚度，通过设置横隔板提升其抗扭刚度，但对于横隔板的具体设置设计方法未给出明确结论。 ◆ 区别于传统混凝土梁，其有效翼缘宽度尚未给出明确计算公式。 上述种种均是未来进一步明确的方向。 总体来看，国内针对波形钢腹板PC箱梁桥的科研更接近实用性，指导了桥梁理论研究与设计、建造工作。同时，标准规范的编制正当其时，符合国内基本国情，考量了材料指标与荷载规范要求。此外，在施工技术方面，国内科研技术人员在参考日本技术的同时，敢于创新，进一步发掘与提升了波形钢腹板PC箱梁桥的施工便利性与实用性。 当下，低碳、环保已成为时代的主流，桥梁行业更应该注重绿色低碳、节能环保和可持续性发展，切实推进组合结构桥梁的发展与应用。波形钢腹板PC组合箱梁桥作为组合结构的代表桥梁与优势桥梁，应在工程建设中推广应用。 （作者单位：河南省交通规划勘察设计院 河南大建桥梁钢构股份有限公司) |
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