波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计与结构分析

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计与结构分析
发布时间：2021-09-27T08:36:40.390Z 来源：《工程建设标准化》2021年13期作者：张光露
[导读] 以研究钢-混凝土组合梁桥中的新型结构—波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥（
张光露
成都市交通规划勘察设计研究院有限公司，四川成都，610094
摘要：以研究钢-混凝土组合梁桥中的新型结构—波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥（也称为“波形钢腹板PC箱梁桥”）为目的，采用空间有限元分析软件MIDASCIVIL对波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥进行设计与结构分析。

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥，是用波形钢板置换预应力混凝土箱形梁的混凝土腹板作成的箱形梁桥，主要特点就是用10-30mm左右厚的钢板取代30～80cm厚的混凝土腹板。

关键词：波形钢腹板；预应力箱梁；设计；结构分析
1 桥型方案简介
在近年的桥梁结构发展过程中，波形钢腹板结构作为一种新型结构，已经逐步被国内桥梁建设方接受[1]。

波形钢腹板连续梁桥，除在解决大跨径预应力混凝土连续箱梁的腹板开裂问题、减轻自重、节能环保、施工便捷等方面均较预应力混凝土连续箱梁有较大优势外，外形也因腹板的变化而显得更加轻巧、美观，钢腹板色彩更可以根据景观需要进行任意调配[2-3]。

波形钢腹板的造型使梁体结构在纵向有所变化，延长梁的视觉深度，使结构外观看来更加的轻巧、活泼，避免了结构的笨重感[4]。

2.主桥结构设计
2.1 总体设计
上部结构为70m+120m+70m三跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，L边/L中=0.58。

单幅上部箱梁为单箱双室，顶宽为19.85m，墩顶根部梁高为7.2米，高跨比为1／16.67；跨中梁高为3.5米，高跨比为1／34.3。

梁高按2次抛物线变化。

2.2 结构设计
2.2.1 波形钢腹板设计
波形钢腹板采用Q345qD钢材，直腹板，波形采用1600型，波板水平幅宽430mm、波高220mm。

波形钢板与混凝土顶板用Twin-PBL连接，其中翼缘钢板厚16mm，宽450mm，开孔钢板厚16mm，开孔Φ60，孔间距150mm，高度为200mm；与混凝土底板的连接采用埋入式连接。

波形钢腹板节段间纵向连接采用了搭接连接贴角焊接连接的方式，使用螺栓临时固结。

图1 主梁典型横断面
2.2.2 箱梁预应力设计
主箱采用体内、体外预应力并用的布置方式，纵向预应力分两种：体内束和体外束。

体内束设置类同于一般预应力砼箱形连续梁，按悬臂浇注分节段设置，用于承受恒载。

体内束均用φS15.2钢绞线，张拉控制应力为1395MPa，顶板束采用15-19型，边跨顶板合拢束和中跨底板合拢束采用15-12型，边跨底板合拢束采用15-15型，均采用群锚锚固体系。

边跨体外束采用19-φS15.2低松弛环氧涂预应力钢铰线，张拉控制应力为1116MPa，边跨布置6束；中跨体外束采用19-φS15.2低松弛环氧涂预应力钢铰线，中跨布置12束；边跨体外束一端锚在端横梁上，另一端锚在墩顶横梁上；中跨体外束分别锚在墩顶横梁上。

体外束的转向通过预埋在跨间横隔中的转向器来实现。

体外束在全桥合拢完成开始张拉。

2.3 施工方案
大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱型连续梁的施工类似常规预应力混凝土箱梁桥，采用挂篮悬臂施工。

波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁标准节节段施工步骤为：
（1）前移挂篮，模板到位；（2）底板普通钢筋安装；（3）波形钢腹板安装并与前段波形钢腹板连接；（4）安装顶板钢筋；（5）浇注顶底板混凝土；（6）养生；（7）张拉顶板预应力束；（8）移动挂篮模板进入下一循环。

合拢段施工步骤为：（1）撤出一端挂篮，前移另一端挂篮；（2）设置合拢段平衡重与底板模板；（3）调整合拢段两端标高；（4）设置合拢段劲性支撑，张拉部分合拢段；（5）浇注底板混凝土，撤出部分平衡重；（6）立模浇注顶板混凝土，撤出全部平衡重；（7）养生达到90％强度后，张拉部分合拢段；（8）撤出挂篮、模板。

70+120+70m跨波形钢腹板预应力砼箱形连续梁整体合拢步骤：（1）两侧边跨合拢；（2）中跨合拢。

波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁较通常的预应力混凝土箱形连续梁的抗弯、抗扭刚度都要低，而由于钢腹板的连接问题，其安装精度要求更高，故施工中应注意加强监控、监测与结构复算。

3 主桥结构计算
波形钢腹板在纵向由于折皱效应，其纵向抗拉压刚度很小，而钢板厚度仅为12～22mm，故设计时可以认为波形钢腹不承受轴向力即近
似认为抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板，而剪力则完全由钢腹板承担。

且剪应力在腹板上作均匀分布。

本次主桥纵向计算采用
Midascivil进行计算分析。

波形钢腹板主要作用在于抗剪，故波形钢板的厚度与形状取决于抗剪强度与剪切屈曲稳定性的需要。

3.1 正截面抗弯承载力验算
主梁正截面弯矩包络如下图所示：
图2 主梁正截面弯矩包络图3.2 正常使用极限状态正截面抗裂验算
图3 短期组合上缘和下缘最大正应力包络图按照规范要求，对于全预应力混凝土现场浇筑构件构件，在作用短期效应组合下正应力应满足:σst-0.8σpc≤0。

根据计算结果，上缘最小压应力为0.6MPa，下缘最小压应力为1.33MPa，符合规范要求。

3.3 钢腹板剪切应力验算
根据纵向计算结果，基本组合时根部截面钢腹板处梁体最大剪力为47467kN（Q345qD的抗剪强度设计值为170Mpa），标准组合时根部截面钢腹板处梁体最大剪力为36989kN（Q345qD的剪应力容许值为120Mpa），箱梁共设3道钢腹板，根部截面处钢腹板厚度为20mm，高度为5.3m，故基本组合钢腹板剪应力为149.3MPa，标准组合钢腹板剪应力为116.3MPa，钢腹板材料为Q345qD，故钢腹板剪应力满足要求。

4 结语
波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥，作为钢-混凝土组合梁桥中一种新型结构，已经逐步被国内桥梁建设方接受。

除在解决大跨径预应力混凝土连续箱梁的腹板开裂问题、减轻自重、节能环保、施工便捷等方面均较预应力混凝土连续箱梁有较大优势外，外形也因钢梁的外形变化而显得更加轻巧、美观，具有一定的推广使用意义。

参考文献：
[1]吴冲,现代钢桥(上册)[M].北京:人民交通出版社,2006.
[2]刘玉擎,组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005.
[3]雷俊卿,郑明珠,徐恭义.悬索桥设计[M].北京:人民交通出版社,2002.
[4]张哲,窦鹏,石磊,等.自锚式悬索桥的发展综述[J].世界桥梁,2003(1):5-9.。