新结构的实践之路——应用于深圳马峦山公园1号桥的波形钢腹板－双管弦杆－混凝土板组合梁

新结构的实践之路——应用于深圳马峦山公园1号桥的波形钢腹板－双管弦杆－混凝土板组合梁
关于召开“2016钢结构与组合结构桥梁发展论坛暨枫溪大桥技术参观活动”的通知
文/陈宜言董桔灿代亮
波形钢腹板PC组合箱梁桥较传统PC箱梁桥，不但减轻了主梁自重，改善了施工性能，而且提高了预应力效率，降低了工程造价。

考虑传统的波形钢腹板在浇筑混凝土底板时较为麻烦，采用受压性能优越的钢管混凝土弦杆替代混凝土底板。

法国的Maupre高架桥采用钢管混凝土为下弦杆，通过波形钢腹板与混凝土桥面板上弦形成整体。

但单根管的倒三角形结构自身稳定性差，下弦单管可操作空间有限，另外其不太适用于跨径大或桥面宽的桥梁。

受Maupre桥主梁构造启发，深圳市政院和福州大学陈宝春教授提出了新型组合结构——波形钢腹板－双管弦杆－混凝土板组合梁，并申请了发明专利。

它由混凝土板上弦、哑铃形钢管混凝土下弦，通过波形钢腹板连接组成，如图1所示。

结构受力上，一方面，组合梁在连续梁跨中正弯矩处，可利用混凝土顶板抗压强度大的特点来承受压应力，利用下弦钢管抗拉性能好的优势承受拉应力；另一方面，在支座处可由施加了预应力的混凝土顶板和抗压强度高的钢管混凝土下弦杆共同承受负弯矩的作用
图1(左上）波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁
图2 桥梁效果图
工程概要
马峦山公园1号桥是深圳市南坪三期快速
路工程中的一座城市桥梁，位于深圳市大山陂
-矿山水库南侧水源保护区内。

该水库是东部
供水干线检修期间的备用水库，也是现状塘岭
水厂的供水水源，等级为小（Ⅰ）型。

根据水
源保护单位的要求，为减少桥梁施工期间对环境的影响，需要快速施工、无支架施工的桥梁工程。

常规方案是采用装配式预制小箱梁、钢箱梁等结构。

经过多方案比选，本项目采用多弦杆组合梁改良结构。

它是一种新颖结构桥型，具有原创性和研究价值。

该桥为3×45m连续梁，桥宽20m。

主要技术标准
1.道路等级：城市快速路，车速80km/h。

2.设计基准期：100年；设计安全等级为一级。

3.汽车荷载：城-A级。

4.环境类别：地面以上结构Ⅰ类，地面以下结构Ⅱ 类。

5.地震烈度：Ⅵ度，地震动峰值加速度0.05g。

桥梁抗震设防分类为乙类，场地类别为II类。

6.温度荷载：竖向日照正温差T1=14℃，T2=5.5℃；竖向日照反温差T1=-7℃，T2=-2.75℃。

结构设计
马峦山公园1号桥主梁由混凝土顶底板、波形钢腹板、下弦杆、钢桁连接等构成。

同波形钢腹板PC组合箱梁相比，由于采用钢管下弦管代替混凝土底板，减轻主梁自重，提高结构抗裂性和整体性。

与桁架组合箱梁相比，避免了腹杆与底管相贯节点，很好地解决了节点
疲劳破坏问题，具有较强的抗形变能力和延性。

具有自重轻、抗震性能好、结构抗裂性和整体性能优异的优点。

主梁设计
已建波形钢腹板PC组合箱梁大多数是单室箱梁结构，随着多室箱梁的翘曲应力、扭转应力及各腹板剪力分担比例计算方法的完善，横截面的构造形式也将会实现多样化。

马峦山公园1号桥箱梁采用双箱单室断面，桥面宽度20m，跨中标准断面梁高2.8m，横梁断面梁高3m。

悬挑端部厚20cm，根部厚50cm，箱梁顶板标准厚度30cm，横梁附近1.2m范围内顶板加厚至50cm，底缘采用直径720mm圆钢管，内部灌注C50微膨胀混凝土。

箱内每4.8m设置一道横隔，一跨45m共设9道横隔，箱间每4.8m同箱内对应设置一道横隔，增加整体抗扭性能。

墩顶设置混凝土横梁，端支点横梁厚度为1.2m，中支点横梁厚度为2.5m。

全桥均采用波形钢腹板，钢材为Q345qC，板厚12mm～24mm，其形状为1600型。

主梁具体构造图详见图3所示。

（a）（上）立面图（b）（下）平面图
图3 主梁一般构造图(单位：mm)
横断面布置为：2m（检修道及栏杆）+16m（行车道）+2m（检修道及栏杆）=20m。

单向横坡2%。

箱梁标准横断面如图
4所示。

图4 跨中标准横断面图(单位：mm)
波形钢腹板及连接设计
波形钢腹板的形状是按照剪切屈服前不发生剪切屈曲，极限荷载作用时不发生剪切屈服，并且考虑桥梁横向刚度等因素确定构造尺寸。

其次，压力机的制作能力、运输尺寸的限制、现场吊装和拼装要求也决定了波形钢腹板的形状。

另外，经济性、景观性等也是决定波形钢腹板形状的条件。

本桥波形钢腹板的构造尺寸采用1600型，波长1600mm，波高22mm，直板段水平长度为430mm，斜板段水平长度为370mm，钢材为Q345qC，板厚12mm～24mm。

波形钢腹板与顶板混凝土之间的连接，主要作用在于传递桥轴方向的剪力，是确保波形钢腹板与混凝土顶板和下弦管底板共同受力的关键构造。

因本桥箱梁较宽，为确保连接的可靠性，波形钢腹板与混凝土顶板的连接采用波形钢腹板顶端焊有翼缘板的焊钉连接键（图5），焊钉直径22mm，长度150mm，根据内力分段布置；与下弦管连接采用直接对焊，如图6所示。

图5 波形钢腹板与顶板连接图
图6 波形钢腹板与底板连接图
施工工序及要点
桥位处地形以旱地为主，施工场地大部分地区较为宽阔，施工时要保护水源，减少对环境的破坏与影响。

施工顺序
1.桩基、承台、桥墩及桥台施工，同步进行钢梁工厂制作，拆卸成节段运至现场；
2.临时支墩施工，同步进行现场桁架梁拼装；
3.钢骨架吊装就位，拼接缝焊接及修复；
4.绑扎横梁钢筋，浇筑横梁混凝土，并养护；
5.浇筑混凝土顶板，分批张拉负弯矩区预应力钢束；
6.安装伸缩缝、栏杆，铺装桥面沥青混凝土；
8.拆除模板及支架，清理钢结构表面，涂装最后一道面漆；
9.整理场地，成桥运营。

施工工期对比
对比波形钢腹板-钢管组合梁与常规现浇箱梁施工工期，如表1所示。

表1 施工工期对比
通过对比，可以看出，该组合箱梁工厂化程度高，施工简便、快捷，最大限度地减少施工对周围生态环境的破坏，环保性能好。

有限元计算模型
深圳马峦山公园1号桥进行受力分析时，均采用MIDAS FEA进行全桥的三维有限元仿真分析模型，其中顶板、横梁、钢管混凝土都是用实体单元模拟，钢管、波形钢腹板、腹板上翼缘板都是用板单元模拟，各种弦杆用梁单元模拟，模型合计约139710个节点，约293656个单元。

具体模型见图7。

图7 马峦山公园1号桥全桥仿真分析模型图
荷载工况
根据本桥所处环境及设计标准,定义荷载工况如表2所示。

表2 荷载工况分类
结构分析结果及验算
参考国内相关规范，分别进行结构的主梁竖向位移、波形钢腹板应力、下弦杆钢管应力、底平联轴力、K撑轴力、混凝土顶板纵桥向正应力、横梁横桥向正应力、振型以及疲劳验算，均满足相关规范要求，图8～13仅取成桥运营
阶段最不利荷载工况下的结构关键受力图示。

图8 主梁竖向位移图（cm）
图9 主梁波形钢腹板剪应力图（Mpa）
图10 主梁下弦杆钢管范梅塞斯应力图（Mpa）
图11 主梁底平联及K撑轴力图(kN)
图12 主梁混凝土顶板顶面纵桥向正应力SYY图（Mpa）
图13 主梁第一阶振型
试验研究
马峦山公园1号桥是现今国内外组合梁中的一种新颖结构桥型，是在传统组合梁基础上进行改进，具有研究价值的桥型结构。

因此在该桥基础上，开展该新型截面的试验研究、结构受力分析和静动载试验研究。

详细内容如下：
1.多弦杆组合梁改良结构箱梁新型截面试验研究
2.多弦杆组合梁改良结构连续箱梁结构抗弯性能试验研究
3.成桥静动载试验研究
试验概况
纯扭试验采用扭转试验机进行加载，扭转试验机是福州大学结构实验中心为进行扭转试
验而专门设计制造的，见图14。

其组成共分
成三个部分，即固定装置、加载装置和反力测
试装置。

图14 扭转试验机
波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁试验梁加载如图15所示，图16示出了试验梁破
坏时的裂缝形式和破坏模式，试验结果同有限
元分析及前期的理论推导计算相吻合，达到预
设要求。

图15 试验梁加载裂缝
图16 试验梁破坏裂缝
（作者单位：深圳市市政设计研究院有限公司福州大学) （编辑：陈晨)。