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文/陈宜言 吴启明 姜瑞娟 波形钢腹板组合箱梁桥是一种符合可持续发展理念的新型桥梁结构型式，在我国有着广泛的适宜性。 图1 日本矢作川斜拉桥
发展概况
国内波形钢腹板组合梁桥的应用起步较晚，但近年来发展迅速，从2005年建成了第一座波形钢腹板组合梁桥——江苏淮安长征桥(18.5m+30.5m+18.5m)(图2)以来，已建和在建的桥梁数量也达到了40余座，其中2006年山东鄄城黄河主桥(70m+11×120m+70m) (图3)波形钢腹板PC箱形连续梁桥的设计、施工，标志着我国波形钢腹板PC箱梁桥进入成规模的工程实用阶段。而随着工程经验的积累和设计技术的进步，波形钢腹板组合梁已开始向大跨、复杂桥型发展。例如在建的珠海前山河大桥、深圳东宝河新安大桥分别为跨径160m、156m的连续梁桥，跨径在同类型桥梁中居世界前列。南昌朝阳大桥主桥与郑州朝阳沟大桥则为部分斜拉桥，跨径组合分别为79m+5×150m+79m、58m+118m+188m+108m，技术难度前所未有。表1为我国已建和在建部分波形钢腹板组合梁桥的统计资料。
技术特点
与传统混凝土梁相比，由于采用波形钢腹板取代了混凝土腹板，具有自重轻、便于装配施工、造价低、耐久性好、全寿命期经济效益高、低碳节能等优点。 首先结构性能方面，自重轻，结构抗震性能优越；波形钢板的纵向褶皱效应可降低温度和收缩徐变效应，提高预应力筋的使用效率；混凝土顶底板抗弯、钢板抗剪充分利用了钢、混凝土两种材料的各自优点。 耐久性方面，可避免传统混凝土箱梁桥混凝土腹板开裂问题；体外预应力筋便于拆换和维修。 经济效益方面，混凝土用量可减少25%～30%，桥梁造价可降低20%，便于装配施工以减短施工周期提高工程质量。图4为组合结构桥梁与钢结构桥梁、混凝土结构桥梁的总费用关系曲线。图中数据表明，组合结构桥梁在设计合理的情况下，建设期的一次性投资是最低的。 产业导向方面，可减少碳排放量和砂石开采量，钢材可循环利用。图5为混凝土桥、波形钢腹板组合梁桥、钢桥在同为4车道情况下每公里碳排放量对比图，图中可以看出，波形钢腹板组合梁桥碳排放量较混凝土桥降低约25%，较钢桥降低约30%。 外形美学方面，增强了箱梁的立体感，能与环境很好的协调，从而满足现代景观要求。 图4 组合结构桥梁与钢结构桥梁、混凝土结构桥梁的总费用关系曲线 图5 波形钢腹板组合梁桥与钢桥、混凝土桥梁的碳排放量对比图 力学特性
波形钢腹板组合梁桥在竖向荷载作用下的受力与初等梁理论中的横力弯曲基本相似，其整体分析一般情况下可采用杆系模型及其相关理论。但由于采用了波形钢腹板和连接件，应采取4项假定：1.波形钢腹板与混凝土顶、底板共同工作，不发生相对滑移或剪切连接破坏；2.腹板不承受轴向力，弯矩仅由混凝土顶、底板构成的断面承担；3.箱梁纵向弯曲时符合平截面假定；4.剪力由波形钢腹板承担且剪应力均匀分布。 静力特性方面，与传统混凝土梁桥相比，波形钢腹板较低的刚度，导致波形钢腹板组合梁桥的抗弯刚度略降低约15%，而抗扭刚度则降低约60%，剪切刚度的降低则高达90%。因此设计时,应考虑波形钢腹板剪切变形对桥梁挠度的附加影响，同时应布置一定间距的横隔板，以提高桥梁的抗扭性能,并尽量避免在弯桥上采用波形钢腹板组合梁。表2为东宝河新安大桥与试设计的同跨同宽同等梁高的传统PC梁的截面特性对比表,图6为二者的截面细部构造。 (a) 东宝河新安大桥 （b）传统PC梁 图6 东宝河新安大桥与试设计传统PC梁截面细部构造 尽管有上述不同于传统混凝土梁的特点，但整体受力分析时，基于平截面假定，仍可使用杆系理论计算构件的内力变形和应力。而组合腹板段和支点横隔区域，由于截面刚度突变和支点反力导致空间受力特性较复杂，宜采用三维实体有限元模型进行分析以获得精确结果。 表2中的数据对比可看出，波形钢腹板组合梁的扭转刚度降低较多，只有传统混凝土梁的42%。因此弯桥或者直桥汽车偏载作用下，应注意抗扭性能和约束扭转效应的计算。目前常用的方法是，以10～25m间距设置横隔板。而约束扭转效应的计算则可采用薄壁杆件的相关理论计算，但目前相关研究甚少，如有条件建议采用三维实体有限元模型分析。 随着车流量的增多，多箱、多室的宽桥以及宽翼缘桥梁在公路和城市中逐渐发展起来，以容纳更多的车道数量，可以预见，波形钢腹板组合箱梁向更宽的方向发展也是未来的趋势。因此波形钢腹板组合梁桥翼缘有效宽度，或者剪力滞效应将是一个在设计中不得不考虑的问题。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）有混凝土T梁和箱梁翼缘有效宽度的计算规定，国外BS5400、Eurocode4、AASHTO也有混凝土梁、钢梁、组合梁的相关规定，但它们是否适用于波形钢腹板组合梁还有待验证。然而，目前已有部分研究表明，波形钢腹板组合梁的剪力滞效应较传统混凝土梁大。深圳市市政设计研究院研发中心以深圳东宝河新安大桥为对象，对比过同等跨径同等梁高的混凝土箱梁自重作用下的剪力滞效应，结果表明波形钢腹板组合梁桥连续梁中支点的剪力滞效应较传统混凝土梁桥大。图7为两种桥型中支点处顶板上缘应力分布的对比图，其中横坐标为0处对应顶板中点，两片腹板位置分别对应的横坐标为-4m和4m。因此建议设计时波形钢腹板组合梁桥采用比传统混凝土梁桥更小的翼缘有效宽度。 动力特性方面，可根据自重和刚度来考虑，表2中数据表明，波形钢腹板组合梁抗弯刚度较传统混凝土梁略低,为0.845～0.975倍，但前者的自重也较后者低,约为0.7～0.8倍。因此可认为波形钢腹板组合梁桥的竖弯自振频率较传统混凝土梁桥略高。日本新开桥和银山御幸桥的振动试验也证明了这点。 波形钢腹板组合梁桥由于存在钢构件，在活载产生的应力幅作用下必然会有疲劳问题。根据日本方面的研究，疲劳问题主要来自体外束和连接件。其中体外束的疲劳有三种情况：体外束锚固转向处的疲劳——材料本身的缺陷导致体外束在锚固端和转向块处产生的疲劳破坏；体外束共振疲劳——体外束与主梁共振时在固定端产生疲劳破坏；体外束微振疲劳——因荷载所产生摩擦和挤压，在单根索上产生的累积疲劳损伤。连接件的疲劳破坏则产生于车辆荷载作用下的角隅弯矩，一般来说带翼缘板的连接形式抗疲劳性能较差。
设计技术
设计技术指导文件
波形钢腹板箱梁的整体受力与传统混凝土梁一致，混凝土构件的计算可完全参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行。而波形钢腹板及连接件的设计，日本相关设计技术指导文件较多，国内则发布了两部地方标准，具体如下。 日本设计技术指导文件： 1.《道路桥示方书附解说 II钢桥篇》 2002年3月，日本道路协会。 2.《波形钢腹板PC箱梁桥设计计算手册》 1998年12月，日本波形钢腹板组合结构研究协会。 3.《关于波形钢腹板组合桥的Q&A》 2002年6月，日本波形钢腹板组合结构研究协会。 4.《组合桥设计施工规准》 2005年11月，日本预应力混凝土协会。 5.《波形钢腹板桥设计施工手册》 2002年3月，日本高速公路技术中心。 6.《波形钢腹板PC箱梁桥设计施工指南》 2005年4月，日本高速公路技术中心。 中国规范： 1.广东地标《波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程》(DB 44/T 1393-2014)。 2.河南地标《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》（DB 41/T 643-2010）。 广东省地方标准《波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程》由深圳市市政设计研究院有限公司主编，涵盖了设计、施工与验收，于2014年8月18日发布、2014年11月18日实施。
概念设计
国内外目前为止，用于波形钢腹板PC桥梁的结构型式有，简支梁、连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥。广东地标根据各国设计实例，对波形钢腹板组合箱梁桥的适用桥型做了相应的规定。 对于截面形式，普遍采用的仍为单室箱截面。日本波形钢腹板组合结构研究会出版的《关于波形钢腹板桥梁的Q&A》中则写道，“目前已建桥梁中，还没有用于多室箱梁桥中的波形钢腹板结构。具有多室箱梁的波形钢腹板结构中，若干事项还没有明确，有必要对这些进行详细的研究。如果这些事项能用试验、FEM分析等进行评价，认为也能应用多室箱截面。这些事项包括：各腹板分担的剪力的比例、扭转刚度的评价方法、翘曲应力的计算方法、板的设计弯矩的计算方法等。”但近年来仍有少量采用多室箱截面的工程实例。在建的河南朝阳沟特大桥是少见的单箱多室截面的波形钢腹板组合梁桥。广东地标规定，根据桥面宽度不同，波形钢腹板组合箱梁桥可做成单箱单室、单箱多室。 梁高方面，可参照常规混凝土箱梁桥按跨度选定，但因波形钢腹板组合箱梁桥梁高增加后重量增加较少，故选择较高的梁高是合理的。广东地标规定，同种情况下，波形钢腹板预应力混凝土箱梁宜比预应力混凝土箱梁略高。
波形钢腹板的设计
波形钢腹板由于具有波折，其剪切屈曲强度较之平钢板有很大提高，而除了板厚，波形也直接影响着剪切屈曲强度，是保证波形钢腹板受力安全的关键所在。较小的波高能提高剪切局部屈曲强度，但会降低剪切整体屈曲强度，波高极小时，还会降低腹板的横向刚度，对顶板活载下的弯矩产生不利影响。因此腹板的波形最好参考以往的工程实例，否则应对腹板的横向刚度、桥面板的弯矩等进行综合详细的研究分析。此外还应考虑运输条件、施工可行性及经济性等。 广东地标则规定：波形钢板波长宜采用1000型、1200型、1600型三种型式。小跨径桥宜用小型号波形钢腹板，大跨径桥宜多用大型号波形钢腹板。40～150m跨径连续梁，宜用1600型波形钢腹板。当使用其他形状的波形钢腹板时，应对波幅、波高、幅段倾角等进行合适的选择并作相应研究、试验，以确保安全性。
连接件的设计
目前采用较多的连接件形式有：栓钉连接件、Twin-PBL连接件、S-PBL+栓钉连接件、角钢连接件、埋入式连接件(图8)。前四种为带翼缘的连接形式，埋入式连接件为不带翼缘的连接形式。这几种连接件是日本经试验和工程实践验证的安全可靠的连接形式。广东地标推荐的也是这五种连接件形式,并提供了承载力验算和正常使用验算公式。
内衬与墩顶节段的设计
波形钢腹板桥中支点附近设置内衬的目的，在于圆顺的传递剪力、缓和刚度突变、防止波形钢腹板屈曲、提高扭转刚度。梁高较大的情况下，波形钢腹板受初期不规则的影响，剪力屈曲强度下降，而来自下方支点的反力向主梁传递，则使支点附近的应力状态变得复杂。为了防止波形钢腹板屈曲，在中支点附近设置内衬在日本波形钢腹板组合箱梁桥中视为强制性要求，同时考虑到施工方便，内衬的最小厚度为200mm。 广东地标对支点附近应设置内衬做了严格的规定，要求当波形钢腹板高度超过5m时，应于邻近支点的1-2箱节段波形钢腹板设置混凝土内衬。 图8 波形钢腹板与混凝土顶、底板常用的连接方式 横隔板的设计
横隔是抑制因扭转所产生的翘曲和断面变形(畸变)的重要构件。波形钢腹板组合箱梁桥与混凝土腹板箱梁桥相比，抗扭刚度和腹板面外刚度大幅降低，扭转作用下，翘曲和畸变变形更为显著，应按更小的间隔来设置具有足够刚性的横隔。对于中等跨度的波形钢腹板组合箱梁桥，可在一跨内设置了2横隔板，并兼做转向块的作用。但当跨度加大时，应充分研究和计算横隔板的合理间距。特别是曲线桥、斜桥、宽幅桥宜采用FEM分析，确认横隔板的效果。但从作用和材料经济性来考虑，横隔板也不宜设置得太密。因此合理的设置横隔板间距是波形钢腹板组合梁桥目前一个难以有效解决的问题。但日本有研究表明，中间横隔板的间距布置为20m以下时基本不产生截面变形，日本已建工程实例，其横隔间距多为10～25m。 河南地标对横隔板设置间距的规定为：宜在跨内设置不少于2个横隔板，跨内横隔板的间距一般为10～20m，曲线桥可适当加密。广东地标正文条款则未明确横隔的数量和间距，只要求根据箱梁的扭转和畸变确定，但编制说明里提到，已建桥梁中横隔的间距多为10～25m。 (作者单位：深圳市市政设计研究院有限公司) （编辑：魏薇)
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图7 波形钢腹板组合连续梁桥与传统混凝土连续梁桥中支点顶板应力分布图
