波形鋼腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

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１　引言

　　隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)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(jìn)行研究。在上世紀(jì)八十年代，法國首先設(shè)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，該形式箱梁的典型結(jié)構(gòu)如圖１所示。自上世紀(jì)九十年代起，日本也對該類形式的橋梁進(jìn)行了研究，在參考法國同類橋梁的基礎(chǔ)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(gòu)橋，拓寬了其使用范圍，發(fā)展了設(shè)計和施工技術(shù)。

　　波形鋼板即折疊的鋼板，具有較高的剪切屈曲強(qiáng)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(xué)性能要求，而且大幅度減輕了主梁自重，縮減了包括基礎(chǔ)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布置鋼筋、設(shè)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(yù)應(yīng)力，提高了預(yù)應(yīng)力效率。這種組合結(jié)構(gòu)能減少工程量、縮短工期、降低成本，在施工性能和經(jīng)濟(jì)性能方面都具有很大的吸引力。

２　設(shè)計方法

　　當(dāng)橋梁上部采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的結(jié)構(gòu)形式時，和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣，其設(shè)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(jié)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(yù)應(yīng)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(fēng)荷載、溫度荷載等。箱梁內(nèi)通常同時設(shè)置體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力，由混凝土頂板和底板內(nèi)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力抵抗施工荷載和恒載，箱內(nèi)的體外預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼束時結(jié)構(gòu)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(guān)，可由下式計算

　　Ｅｘ＝αＥ(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(jìn)行的模型實驗和有限元計算的結(jié)果，進(jìn)一步證實波形鋼腹板在受彎時縱向正應(yīng)力、正應(yīng)變很小，可以忽略，即在進(jìn)行截面抗彎設(shè)計時，只考慮混凝土頂板和底板的作用，并近似的認(rèn)為混凝土頂板和底板內(nèi)的縱向正應(yīng)變符合線性分布規(guī)律，仍然按照平截面假定計算應(yīng)力、布置預(yù)應(yīng)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(zhuǎn)變形。在混凝土腹板箱梁中，扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)翹曲應(yīng)力。到目前為止，關(guān)于波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)剛度的計算還沒有明確的結(jié)論。通過對建成的該類橋梁的技術(shù)總結(jié)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(gòu)件的厚度；α為修正系數(shù)(３)實際設(shè)計當(dāng)中，鑒于截面扭轉(zhuǎn)剛度和橫隔板布置有密切關(guān)系，在不過于增加主梁自重的前提下，適當(dāng)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(yīng)力計算

　　波形鋼腹板主要承受剪應(yīng)力。在設(shè)計中可以偏保守地假定結(jié)構(gòu)所有的剪應(yīng)力都由波形鋼腹板承受，忽略混凝土頂板和底板對剪應(yīng)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(yīng)力，同時也承受橫向彎曲所引起的彎曲應(yīng)力，因此必須對波形鋼腹板的合成應(yīng)力進(jìn)行驗算，公式為(４) 式中，σｂ為拉應(yīng)力；σａ為抗拉強(qiáng)度；τｂ為剪應(yīng)力；τａ抗剪強(qiáng)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。

　?。ǎ保┚植壳Ｊ?/p>

　　波形鋼腹板的某一個波段部分出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。

　?。ǎ玻┱w屈曲模式

　　波形鋼腹板整體出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。

　　（３）合成屈曲模式

　　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(jié)構(gòu)剛度迅速降低，最終導(dǎo)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(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載力，是設(shè)計此類橋梁中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

　　對于連接部的設(shè)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(jié)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(chǔ)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(jìn)了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)，目前，日本大力鼓勵設(shè)計人員在主要高速公路中采用這種結(jié)構(gòu)形式。

　　正在建設(shè)中的中野高架橋是日本關(guān)西地區(qū)阪神高速公路段的一部分，為采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)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(shè)置了體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)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(qiáng)度４９０ＭＰａ、抗剪強(qiáng)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(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向處設(shè)置橫隔板，還在縱向的不同位置加設(shè)了橫隔板。主梁截面和波形鋼腹板的一般構(gòu)造見圖６。

該橋的上部結(jié)構(gòu)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(jié)語

　　鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)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(yù)應(yīng)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(shè)了數(shù)座此種類型的橋梁，設(shè)計和施工技術(shù)日益成熟。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)的研究分析工作的開展，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋?qū)谖覈臉蛄航ㄔO(shè)中得到應(yīng)用。