浅析波形钢腹板组合箱梁的设计与施工

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摘要：体外预应力技术的日趋成熟和新型建筑材料的发展，许多的工程师都在对大跨径桥梁的主梁轻型化问题。现如今，钢－混凝土组合结构桥梁在日本和欧美了应用，其特点在于它了混凝土和钢的材料特点。波形钢腹板PC组合箱梁是新型的钢—混凝土组合结构，它钢与混凝土的优点，了结构的稳定性、强度及材料的使用，并且结构外形美观，抗震性能好。本文论述了波形钢腹板PC组合箱梁设计施工方法，为今后波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计和施工了宝贵的经验。
关键词：波形钢腹板箱梁结构设计
        0 引言
        在上世纪八十年代，法国设计并建造了以波形钢腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型组合结构桥梁-Cognac桥，其后又相继建造了Maupre高架桥、Asterix桥和Dole等数座波形钢腹板的组合结构桥梁，该箱梁的典型结构如图1所示。自上世纪九十年代起，日本也对该类的桥梁了，在参考法国同类桥梁的基础上，修建了新开桥、本谷桥、松木七号桥等一系列桥梁，有连续梁桥，也有连续刚构桥，了其使用范围，发展了设计和施工技术。
        波形钢板即折叠的钢板，较高的剪切屈曲强度，用它混凝土箱梁的腹板，不但了腹板的力学性能要求，而且大幅度减轻了主梁自重，缩减了包括基础在内的下部结构所承受的上部恒载，还省去了施工时在腹板中钢筋、设置模板等繁杂的工作。此外，波形钢板纵向伸缩自由的特点使得其几乎不抵抗轴向力，能更地对混凝土桥面板施加预应力，了预应力。组合结构能工程量、缩短工期、降低成本，在施工性能和经济性能都的吸引力。
        1 设计方法
        当桥梁上部采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的结构时，和普通的钢筋混凝土箱梁桥一样，其设计需要施工和使用阶段的不同要求。施工阶段的计算要的施工，比如，连续梁桥可以采用悬臂施工、顶推法施工或的方法，主要的计算荷载有自重、预应力、混凝土不同龄期的收缩徐变、施工荷载等。使用阶段则要考虑汽车荷载、风荷载、温度荷载等。箱梁内通常设置体内和体外预应力，由混凝土顶板和底板内的体内预应力抵抗施工荷载和恒载，箱内的体外预应力用来抵抗活载。考虑的原因，是更换体外预应力钢束时结构的受力要求。
        1.1 纵向抗弯计算
        波形钢腹板在轴向力的作用下，轴向变形，的等效弹性模量很小。波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚、波纹形状，可由下式计算
        Ｅx＝αE(ｔ/ｈ)２　　
        式中，Ｅx为等效轴向弹性模量；
        E为钢材的弹性模量；
        t为钢板厚度；
        α为波纹的形状系数。
        此式，日本新开桥Ex＝E/617。已的模型实验和有限元计算的结果，证实波形钢腹板在受弯时纵向正应力、正应变很小，可以忽略，即在截面抗弯设计时，只考虑混凝土顶板和底板的作用，并近似的混凝土顶板和底板内的纵向正应变符合线性分布规律，仍然平截面假定计算应力、预应力钢束。
        1.2 抗扭计算
        箱梁在偏心荷载作用下，截面将扭转变形。在混凝土腹板箱梁中，扭转的并不大，但在波形钢腹板箱梁中，腹板的弯曲刚度和混凝土顶板、底板相比小得多，这对截面扭转变形的增大，会在混凝土板内产生的扭转翘曲应力。到为止，关于波形钢腹板箱梁扭转刚度的计算还的结论。对建成的该类桥梁的技术总结和，日本工程师上平等人了计算其抗扭刚度的方法。
        1.3 波形钢腹板的应力计算

        波形钢腹板主要承受剪应力。在设计中可以偏保守地假定结构所剪应力都由波形钢腹板承受，忽略混凝土顶板和底板对剪应力的抵抗作用，从而计算出波形钢腹板所需的最小厚度。
        波形钢腹板承受上述剪应力，也承受横向弯曲所引起的弯曲应力，对波形钢腹板的合成应力验算。
        1.4 波形钢腹板的屈曲稳定性计算
        波形钢腹板的屈曲破坏主要有三种模式。
        1.4.1 局部屈曲模式
        波形钢腹板的某波段屈曲破坏的。
        1.4.2 整体屈曲模式
        波形钢腹板整体屈曲破坏的。
        1.4.3 合成屈曲模式
        波形钢腹板局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的，是局部屈曲和整体屈曲中间的屈曲模式。
        1.5 波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接
        模型实验表明，在加载后期，除了底板横向开裂外，波形钢腹板与底板交界处沿纵向开裂，裂缝的发展，结构刚度迅速降低，破坏，破坏特征为腹板和底板的连接部碎裂。波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接直接关系到结构的承载力，是设计此类桥梁中非常关键的环节。
        连接部的设计，通常的做法是在波形钢腹板的上下端焊接钢制翼缘板，翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板在一起。还可以采用在钢腹板上钻孔，穿过钢筋，再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后埋入混凝土板的做法。基础上，还可衍生出的连接方法。
        2 实例列举
        自1993年起，日本从法国引进了波形钢腹板组合结构的技术，，日本鼓励设计人员在主要高速公路中采用结构。
        正在建设中的中野高架桥是日本关西地区阪神高速公路段的一，为采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的四跨连续梁桥。全桥的立面见图5。主梁为单箱单室的变箱梁，设置了体外和体内预应力体系。支点梁高4.0～4.6ｍ，跨中梁高2.0～2.2ｍ，梁高二次抛物线。波形钢腹板采用抗拉强度490Mpa、抗剪强度205Mpa的耐腐蚀钢板，波长1.2m，波高200mm，钢板厚度9～19mm。主梁的横向抗变形能力，除在支点和体外预应力的转向处设置横隔板，还在纵向的不同位置加设了横隔板。
        该桥的上部结构采用悬臂浇筑法施工，墩顶的0号节段长12ｍ，在墩架上现浇。其余节段分别长3.6ｍ和4.8ｍ，均在挂篮上悬臂浇筑混凝土及拼装钢腹板。
        钢－混凝土组合结构桥梁的设计和建造在国内起步晚，是本文介绍的波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥在国内尚无实桥。与此，法国、德国，是日本相继建设了数座此种类型的桥梁，设计和施工技术成熟。波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁，适合于中、大跨径的连续梁桥。国内对结构的分析工作的，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥将会在我国的桥梁建设中应用。
参考文献：
[1]蔡千典,冉一元.波形钢腹板预应力箱梁结构特点的探讨.桥梁建设.1994(1):26～30.

[2]李宏江,万水,叶见曙.波形钢腹板PC组合箱梁的结构特点. 公路交通科技.2002(3):52～57.
[3]刘磊,钱冬生.波形钢腹板的受力 .铁道学报.2000(增刊).53～56.