淺析波形鋼腹板組合箱梁的設計與施工

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摘要：體外預應力技術的日趨成熟和新型建筑材料的發(fā)展，許多的工程師都在對大跨徑橋梁的主梁輕型化問題?，F(xiàn)如今，鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁在日本和歐美了應用，其特點在于它了混凝土和鋼的材料特點。波形鋼腹板PC組合箱梁是新型的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，它鋼與混凝土的優(yōu)點，了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強度及材料的使用，并且結(jié)構(gòu)外形美觀，抗震性能好。本文論述了波形鋼腹板PC組合箱梁設計施工方法，為今后波形鋼腹板PC組合箱梁橋的設計和施工了寶貴的經(jīng)驗。
關鍵詞：波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)設計
        0 引言
        在上世紀八十年代，法國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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)橋梁，該箱梁的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。自上世紀九十年代起，日本也對該類的橋梁了，在參考法國同類橋梁的基礎上，修建了新開橋、本谷橋、松木七號橋等一系列橋梁，有連續(xù)梁橋，也有連續(xù)剛構(gòu)橋，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，較高的剪切屈曲強度，用它混凝土箱梁的腹板，不但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(jié)構(gòu)所承受的上部恒載，還省去了施工時在腹板中鋼筋、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，能更地對混凝土橋面板施加預應力，了預應力。組合結(jié)構(gòu)能工程量、縮短工期、降低成本，在施工性能和經(jīng)濟性能都的吸引力。
        1 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(jié)構(gòu)時，和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣，其設計需要施工和使用階段的不同要求。施工階段的計算要的施工，比如，連續(xù)梁橋可以采用懸臂施工、頂推法施工或的方法，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?？紤]的原因，是更換體外預應力鋼束時結(jié)構(gòu)的受力要求。
        1.1 縱向抗彎計算
        波形鋼腹板在軸向力的作用下，軸向變形，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，可由下式計算
        Ｅx＝αE(ｔ/ｈ)２　　
        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)。
        此式，日本新開橋Ex＝E/617。已的模型實驗和有限元計算的結(jié)果，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，仍然平截面假定計算應力、預應力鋼束。
        1.2 抗扭計算
        箱梁在偏心荷載作用下，截面將扭轉(zhuǎn)變形。在混凝土腹板箱梁中，扭轉(zhuǎn)的并不大，但在波形鋼腹板箱梁中，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(zhuǎn)變形的增大，會在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)翹曲應力。到為止，關于波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)剛度的計算還的結(jié)論。對建成的該類橋梁的技術總結(jié)和，日本工程師上平等人了計算其抗扭剛度的方法。
        1.3 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(jié)構(gòu)所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。
        波形鋼腹板承受上述剪應力，也承受橫向彎曲所引起的彎曲應力，對波形鋼腹板的合成應力驗算。
        1.4 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。
        1.4.1 局部屈曲模式
        波形鋼腹板的某波段屈曲破壞的。
        1.4.2 整體屈曲模式
        波形鋼腹板整體屈曲破壞的。
        1.4.3 合成屈曲模式
        波形鋼腹板局部屈曲破壞和整體屈曲破壞的，是局部屈曲和整體屈曲中間的屈曲模式。
        1.5 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，裂縫的發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度迅速降低，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(jié)構(gòu)的承載力，是設計此類橋梁中非常關鍵的環(huán)節(jié)。
        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?；A上，還可衍生出的連接方法。
        2 實例列舉
        自1993年起，日本從法國引進了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)的技術，，日本鼓勵設計人員在主要高速公路中采用結(jié)構(gòu)。
        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，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。全橋的立面見圖5。主梁為單箱單室的變箱梁，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，梁高二次拋物線。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。主梁的橫向抗變形能力，除在支點和體外預應力的轉(zhuǎn)向處設置橫隔板，還在縱向的不同位置加設了橫隔板。
        該橋的上部結(jié)構(gòu)采用懸臂澆筑法施工，墩頂?shù)?號節(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。
        鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的設計和建造在國內(nèi)起步晚，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，法國、德國，是日本相繼建設了數(shù)座此種類型的橋梁，設計和施工技術成熟。波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁，適合于中、大跨徑的連續(xù)梁橋。國內(nèi)對結(jié)構(gòu)的分析工作的，波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋?qū)谖覈臉蛄航ㄔO中應用。
參考文獻：
[1]蔡千典,冉一元.波形鋼腹板預應力箱梁結(jié)構(gòu)特點的探討.橋梁建設.1994(1):26～30.

[2]李宏江,萬水,葉見曙.波形鋼腹板PC組合箱梁的結(jié)構(gòu)特點. 公路交通科技.2002(3):52～57.
[3]劉磊,錢冬生.波形鋼腹板的受力 .鐵道學報.2000(增刊).53～56.