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作者：湖南省交通规划勘察设计院 陈晶，钟浩，肖文杰 湖南大学土木工程学 侯嘉庆 摘要：与传统混凝土箱梁相比，波形钢腹板组合箱梁具有受力明确、自重减轻、彻底解决腹板开裂等明显技术优势，势必将获得更大的应用。该文针对不同跨径范围的组合箱梁，研究了波形钢腹板组合箱梁的布束设计原则，提出了３种布束方案及其相应的跨径适用范围；为了推广其在中等跨径梁桥的应用，以一座跨径３０ｍ箱梁为例，提出了全体内束、并减少主梁片数等结构设计措施，采用先简支后连续的施工方法，完成分析，并在关键技术、施工、经济等多方面与传统混凝土箱梁进行了对比。结果表明：与传统混凝土箱梁相比，中等跨径波形钢腹板组合箱梁在施工、经济性上具有一定的技术优势。 关键词：桥梁工程；波形钢腹板组合箱梁；有限元分析；技术性能；经济性能 对于常规混凝土箱梁桥而言，自重偏大、腹板容易开裂是一个普遍存在的技术难题。随着中国钢产量的稳步提升，大力推进钢桥及钢－混组合桥梁在实际桥梁工程中的应用，已成为桥梁工程发展的一个重要方向。波形钢腹板组合箱梁作为一种新型钢－混组合结构，具有自重比传统混凝土箱梁轻、受力明确、钢腹板抗剪性能高、能彻底解决箱梁混凝土腹板开裂、经济性好等明显的技术优势，因而受到了很大的关注、并在国内外得到越来越多的工程应用，应用范围几乎涵盖所有桥型、特别是在梁桥中应用非常广泛，跨径分布从３０ｍ到２００多ｍ不等。目前此种桥型在日本应用非常广泛，而中国也建成了将近４０余座。其发展趋势良好。 组合箱梁采用波形钢腹板替代混凝土腹板后，钢腹板内无法布置预应力筋，预应力筋只能布置在混凝土顶板和底板内、或者以体外束的形式进行布置。但由于实际桥梁结构跨径和施工方法的不同，布束方式也应与之相适应而进行调整。该文重点对此展开分析，并考虑到在实际工程中，中等跨径梁桥的数量非常庞大，如何将波形钢腹板组合箱梁应用到中等跨径并充分考虑其结构布置的多样性和施工方法的复杂性，充分体现波形钢腹板结构的技术、经济优越性，推动桥梁技术的发展，是一个需要深入研究的课题。该文以一座中等跨径连续梁桥为例，重点对截面布置形式、预应力配束方式、钢混连接方式、施工方法等方面进行一些探索性研究。 １ 布束方式原则 根据梁桥单孔跨径的大小，可分为超大跨径、大跨径、中等跨径等，与之相适应的施工方法也多种多样，如悬浇施工、整体现浇施工、先简支后连续施工、顶推施工等。对于不同跨径和施工方法，波形钢腹板组合箱梁桥的结构布置也会差别很大，预应力的布置方式也必须与之相适应。以下重点研究跨径范围和施工方法不同时的布束原则。 １．１全体外束方案 这种布束方式取消体内束，预应力体系全部采用体外束布置方式。显然，这种布束方式简化了施工（不需要穿束），也可在运营中调整体外束的应力水平。但对于多跨结构，体外束更换困难，主要适合于中小跨径梁桥，可整体现浇施工、也可预制吊装施工。其具体方式如图１所示。这种方式布置仅在波形钢腹板组合箱梁应用之初有所应用，数量较少，如中国第一座公路波形钢腹板组合梁桥———泼河桥。同时由于布置体外束的箱梁，其承载能力相对较低，因此也需要布置较多的普通钢筋。 １．２体内束＋体外束布置方案 这种布束方式的特点是：依靠体内束承担一期恒载、体外束承担二期恒载和活载。体外束的应力也可根据结构受力状态的变化、在运营中调整。特别适合于大跨悬浇组合箱梁桥，主跨跨径均在９０ｍ以上，这是一种主要的布束方式。其原理是：在箱梁悬浇过程中，箱梁预应力筋中的前期束全部布置在箱梁顶板内，而在箱梁边跨合龙、中跨合龙后，底板后期束全部布置在底板内。待全桥全部合龙后、施工桥面系之前，张拉体外束，以抵抗二期恒载和活载的作用，整体布束方式见图２。这种布束方式获得广泛应用，如山东鄄城黄河公路桥，前山河桥，桃花峪大桥等。 对于整体现浇的大跨径组合箱梁桥（单孔跨径在５０ｍ及以上的多跨连续梁桥），也可以采用这种方式，但是体内束和体外束一起承担所有的荷载，两者的数量比例难以明确界定。如卫河大桥［（４７＋５２＋４７）ｍ，三跨连续梁桥］就是采用这种布束方式。 １．３全体内束方案 在组合箱梁内取消体外束、所有预应力筋全部布置在混凝土顶板和底板内。这种布置方式，中国还很少见，其主要原因是：由于采用全体内束，预应力只能采用直线布置方式，在梁高不大的情形下预应力筋宜采用分段锚固的方式，可适用于先简支后连续的施工方法中；如果梁高较大、或顶推梁中，则可将预应力筋通长布置在混凝土顶板和底板中。具体布置见图３。 当然，在实际结构配束方案设计中，到底采用哪种方案，需要综合各种因素进行分析，特别是对于中等跨径梁桥，其施工方法多种多样，需要分别综合对待。 ２实例工程 波形钢腹板组合箱梁桥在大跨径中的优势是比较明显的，但在中等跨径桥梁中的应用还需要进行研究。为推动波形钢腹板的应用，该文选取陕西省宝汉高速公路上的某座桥梁———高家崖大桥，跨径为３×３０ｍ装配式预应力混凝土连续梁桥，施工方法是先简支后连续，按照波形钢腹板装配式连续小箱梁的结构设计，设计荷载为公路－Ⅰ级。 ３主梁设计 ３．１结构布置形式 桥梁立面布置如图４所示。主梁采用波形钢腹板组合箱梁，跨中截面布置见图５，梁高１．７ｍ，单幅宽度１６ｍ，横向布置４片小箱梁。边梁及中梁的顶板宽均为４ｍ，包含了单侧横向湿接缝宽度３９ｃｍ；底板宽１．５ｍ，箱梁上下翼缘厚度均为２０ｃｍ，Ｃ５０混凝土。 波形钢腹板箱梁的扭转刚度相对常规混凝土箱梁的要小，为了增大结构横向连接刚度和抗扭刚度，防止结构发生过大的扭转变形和应力，每跨跨内设置２道横隔板、２道端横隔板。端横隔板厚８０ｃｍ、中横隔板厚２５ｃｍ。每道横隔板中间设置圆形过人孔。 ３．２结构设计 区别于常规混凝土连续梁，波形钢腹板组合箱梁在波形钢腹板构造、钢腹板与上下翼缘混凝土板的剪力连接件以及预应力束布置等方面都具有其特殊性。 ３．２．１波形钢腹板构造 该桥跨径不大，选用波形钢腹板厚度为８ｍｍ、构造尺寸为１２００型（图６），即波长１２００ｍｍ、波高２００ｍｍ；工厂加工、现场安装。 ３．２．２钢与混凝土剪力连接件 波形钢腹板组合箱梁常见的连接方式主要有以下３种：即把腹板上下端焊接翼缘板并配置连接件的翼缘型，腹板直接伸入到混凝土板中的嵌入型，及由以上两种连接件组合而成的复合型连接件。该桥波形钢腹板与混凝土顶、底板连接件采用１９圆柱头焊钉连接件（图７），剪力钉数量根据截面的剪力大小进行设置。 ３．２．３预应力体系设计构思 与其他大跨径波形钢腹板ＰＣ组合箱梁桥相比，高家崖大桥３０ｍ跨箱梁梁高仅１．７ｍ，上下混凝土翼缘厚度２０ｃｍ，这样箱内净空高度仅剩余１．３ｍ的空间。若采用体外束方案，考虑后期体外束的更换，梁高空间不够、施工难度太大，不可取。因此在进行预应力体系设计时不再设置体外索，全部采用体内预应力束，这样施工简便，也减少了后期更换的麻烦。但考虑到结构弯矩呈抛物线线形的变化规律，该桥预应力体系中包括底板束（分段锚固）、墩顶负弯矩束以及顶板通长束，共３种，配束布置和特点（图８、９）如下。 （１）底板束采用两种形式，一种形式是通长束，每跨２束，规格为９１５．２４ｍｍ钢绞线，两端张拉；另一种形式从横隔板位置至远梁端，纵向左右对称布置，仅在梁端张拉，每跨４束，规格为４１５．２４ｍｍ钢绞线。 （２）墩顶负弯矩束为扁锚，共４束，规格为４１５．２４ｍｍ钢绞线。 （３）顶板束为通长束，两端张拉，每跨２束，规格为４１５．２４ｍｍ的钢绞线。 ４计算分析 采用ＴＤＶ 有限元软件，模拟主梁结构及施工顺序，按单片梁采用平面杆系计算理论进行结构分析。荷载横向分布系数采用横向刚接梁法进行计算，桥面现浇层不参与受力，并按照预应力混凝土Ａ类构件进行验算。 ４．１分析结果对比 通过以上的设计计算，从承载力、应力、变形等指标，与交通部３０ｍ 跨标准混凝土小箱梁结果进行比较，结果见表１。 ４．２经济性能对比 波形钢腹板组合箱梁采用波形钢腹板取代混凝土腹板后，自重减小１５％～２５％，从而又减小了上部结构的混凝土、钢筋、预应力钢筋用量，还可以减轻下部结构工程量，有效降低材料总用量及造价，施工工期也有一定程度的缩短。具体对比结果见表２。
５结语 波形钢腹板混凝土组合箱梁结构因其自身的优势，正越来越多地被中国工程界所重视。该文重点分析了波形钢腹板组合箱梁桥的布束原则，并针对中国有大量的中等跨径梁桥要修建，若按照波形钢腹板组合箱梁进行设计，对其布束方式进行了研究和分析，提出对于跨径不大的箱梁桥，由于梁高不大，采用体外束布置方式时无法进行体外束的更换，此时应采取全体内束的方式。并将其研究成果应用到一座中等跨径梁桥上，与传统混凝土箱梁进行了对比分析，表明这种桥型具有很好的受力、经济性能，从而对该桥型在中等跨径桥型中进行推广及应用起到了积极的促进作用。 |
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