波形鋼腹板組合箱梁的結構設計方法

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１　引言

　　隨著體外預應力技術的日趨成熟和新型建筑材料的發(fā)展，許多國家的工程師都在對大跨徑橋梁的主梁輕型化問題進行研究。在上世紀八十年代，法國首先設計并建造了以波形鋼腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型組合結構橋梁－Ｃｏｇｎａｃ橋，其后又相繼建造了Ｍａｕｐｒｅ高架橋、Ａｓｔｅｒｉｘ橋和Ｄｏｌｅ等數(shù)座波形鋼腹板的組合結構橋梁，該形式箱梁的典型結構如圖１所示。自上世紀九十年代起，日本也對該類形式的橋梁進行了研究，在參考法國同類橋梁的基礎上，先后修建了新開橋、本谷橋、松木七號橋等一系列橋梁，其中有連續(xù)梁橋，也有連續(xù)剛構橋，拓寬了其使用范圍，發(fā)展了設計和施工技術。

　　波形鋼板即折疊的鋼板，具有較高的剪切屈曲強度，用它作為混凝土箱梁的腹板，不但充分滿足了腹板的力學性能要求，而且大幅度減輕了主梁自重，縮減了包括基礎在內(nèi)的下部結構所承受的上部恒載，還省去了施工時在腹板中布置鋼筋、設置模板等繁雜的工作。此外，波形鋼板縱向伸縮自由的特點使得其幾乎不抵抗軸向力，能更有效地對混凝土橋面板施加預應力，提高了預應力效率。這種組合結構能減少工程量、縮短工期、降低成本，在施工性能和經(jīng)濟性能方面都具有很大的吸引力。

２　設計方法

　　當橋梁上部采用波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁的結構形式時，和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣，其設計需要針對施工和使用階段的不同要求。施工階段的計算要結合具體的施工形式，比如，連續(xù)梁橋可以采用懸臂施工、頂推法施工或其它的方法，主要的計算荷載有自重、預應力、混凝土不同齡期的收縮徐變、施工荷載等。使用階段則要考慮汽車荷載、風荷載、溫度荷載等。箱梁內(nèi)通常同時設置體內(nèi)和體外預應力，由混凝土頂板和底板內(nèi)的體內(nèi)預應力抵抗施工荷載和恒載，箱內(nèi)的體外預應力用來抵抗活載。這樣考慮的原因之一，是為了滿足更換體外預應力鋼束時結構的受力要求。

２．１　縱向抗彎計算

　　波形鋼腹板在軸向力的作用下，軸向變形很大，表現(xiàn)出來的等效彈性模量很小。波形鋼板在縱向的等效彈性模量和板厚、波紋形狀有關，可由下式計算

　?。牛?alpha;Ｅ(ｔ／ｈ)２（１）

　　式中，Ｅｘ為等效軸向彈性模量；Ｅ為鋼材的彈性模量；ｔ為鋼板厚度；α為波紋的形狀系數(shù)。根據(jù)此式，日本新開橋Ｅｘ＝Ｅ／６１７。已進行的模型實驗和有限元計算的結果，進一步證實波形鋼腹板在受彎時縱向正應力、正應變很小，可以忽略，即在進行截面抗彎設計時，只考慮混凝土頂板和底板的作用，并近似的認為混凝土頂板和底板內(nèi)的縱向正應變符合線性分布規(guī)律，仍然按照平截面假定計算應力、布置預應力鋼束。

２．２　抗扭計算

　　箱梁在偏心荷載作用下，截面將發(fā)生扭轉變形。在混凝土腹板箱梁中，扭轉的影響并不大，但在波形鋼腹板箱梁中，由于腹板的彎曲剛度和混凝土頂板、底板相比小得多，這對截面扭轉變形的影響顯著增大，會在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生較大的扭轉翹曲應力。到目前為止，關于波形鋼腹板箱梁扭轉剛度的計算還沒有明確的結論。通過對建成的該類橋梁的技術總結和研究，日本工程師上平等人提出了一種計算其抗扭剛度的方法(２) 式中，Ｊｔ為抗扭剛度；Ａｍ為箱梁的橫截面面積；ｂ１為箱體的寬度；ｈ１為波形鋼腹板的高度；ｎｓ為鋼材和混凝土剪切模量的比值；ｔ為構件的厚度；α為修正系數(shù)(３)實際設計當中，鑒于截面扭轉剛度和橫隔板布置有密切關系，在不過于增加主梁自重的前提下，適當增加橫隔板數(shù)量并調(diào)整間距可以有效的保證箱梁抗扭剛度。

２．３　波形鋼腹板的應力計算

　　波形鋼腹板主要承受剪應力。在設計中可以偏保守地假定結構所有的剪應力都由波形鋼腹板承受，忽略混凝土頂板和底板對剪應力的抵抗作用，從而計算出波形鋼腹板所需的最小厚度。

波形鋼腹板不僅承受上述剪應力，同時也承受橫向彎曲所引起的彎曲應力，因此必須對波形鋼腹板的合成應力進行驗算，公式為(４) 式中，σｂ為拉應力；σａ為抗拉強度；τｂ為剪應力；τａ抗剪強度；γ為安全系數(shù)，建議取值為１．２。

２．４　波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性計算

　　波形鋼腹板的屈曲破壞主要有三種模式。

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　　波形鋼腹板的某一個波段部分出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。

　　（２）整體屈曲模式

　　波形鋼腹板整體出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。

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　　波形鋼腹板同時出現(xiàn)局部屈曲破壞和整體屈曲破壞的現(xiàn)象，是處于局部屈曲和整體屈曲中間的屈曲模式。

２．５　波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接

　　模型實驗表明，在加載后期，除了底板橫向開裂外，波形鋼腹板與底板交界處沿縱向開裂，隨著裂縫的發(fā)展，結構剛度迅速降低，最終導致破壞，破壞特征為腹板和底板的連接部碎裂。波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接直接關系到結構的承載力，是設計此類橋梁中非常關鍵的環(huán)節(jié)。

　　對于連接部的設計，通常的做法是在波形鋼腹板的上下端焊接鋼制翼緣板，翼緣板上焊接剪力釘，使之與混凝土板結合在一起。還可以采用在鋼腹板上鉆孔，穿過鋼筋，再在鋼板的上下端部焊接縱向約束鋼筋后埋入混凝土板的做法。在此基礎上，還可衍生出其它的連接方法。

３　工程實例

　　自１９９３年起，日本從法國引進了波形鋼腹板組合結構的技術，目前，日本大力鼓勵設計人員在主要高速公路中采用這種結構形式。

　　正在建設中的中野高架橋是日本關西地區(qū)阪神高速公路段的一部分，為采用波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁的四跨連續(xù)梁橋。全橋的立面布置見圖５。主梁為單箱單室的變高度箱梁，同時設置了體外和體內(nèi)預應力體系。支點梁高４．０～４．６ｍ，跨中梁高２．０～２．２ｍ，梁高按照二次拋物線變化。波形鋼腹板采用抗拉強度４９０ＭＰａ、抗剪強度２０５ＭＰａ的耐腐蝕鋼板，波長１．２ｍ，波高２００ｍｍ，鋼板厚度９～１９ｍｍ。為了提高主梁的橫向抗變形能力，除在支點和體外預應力的轉向處設置橫隔板，還在縱向的不同位置加設了橫隔板。主梁截面和波形鋼腹板的一般構造見圖６。

該橋的上部結構采用懸臂澆筑法施工，墩頂?shù)模疤柟?jié)段長１２ｍ，在墩架上現(xiàn)澆。其余節(jié)段分別長３．６ｍ和４．８ｍ，均在掛籃上懸臂澆筑混凝土及拼裝鋼腹板。

４　結語

　　鋼－混凝土組合結構橋梁的設計和建造在國內(nèi)起步比較晚，尤其是本文介紹的波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋在國內(nèi)尚無實橋。與此同時，法國、德國，尤其是日本相繼建設了數(shù)座此種類型的橋梁，設計和施工技術日益成熟。波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁，特別適合于中、大跨徑的連續(xù)梁橋。隨著國內(nèi)對這種結構的研究分析工作的開展，波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋?qū)谖覈臉蛄航ㄔO中得到應用。