波形钢腹板桥研究与应用

1.840
2.695 3.220
1.756
2.491 5.020
(8) 体外力筋可以替换, 便于桥梁的维修和补强：波形钢腹板PC 箱梁
桥采用体外预应力, 因而即使在长期运营后, 体外预应力索出现磨损或断裂时, 也可以在夜间停止车辆通行后对其进行更换；
(9) 避免了腹板开裂问题, 耐久性能好：传统的预应力混凝土箱梁桥受
外力荷载以及混凝土收缩、徐变的影响, 常常在腹板出现裂缝, 造成了混凝土 截面削弱、钢筋腐蚀乃至于要进行维修补强等一系列问题, 而波形钢腹板 PC 箱梁桥则不会出现上述问题, 耐久性能较好。
●
波形钢腹板PC桥的振动特性与衰减系数
波形钢腹板桥自振频率与衰减系数
桥名 新开桥 银山御幸桥 简支桥 连续梁 本谷桥 腾手川桥 小河内川桥 Ｔ梁连续刚构
构造形式
连续刚构 连续刚构
自振 一阶 频率 (Hz) 二阶 三阶
3.950
5.400 -
2.778
3.167 3.710
1.648
1.831 3.235
定义与特点
顾名思义，波形钢腹板预应力混凝土箱形梁就是用波形钢 板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。其显 著特点是用 10mm 左右厚的钢板取代厚 30～ 80cm 厚的混凝土 腹板。鉴于顶底板预应力束放置空间有限，导致体外索的应用
则是波形钢腹板预应力混凝土箱梁的第二个特点。
结构要点
KN.m2
KN.m2 KN m2
1.92x108
1.60x108 2.73x107 14.94
1.74x108
6.71x107 2.08x106 7.85
0.91
0.42 0.08 0.53
断面惯性距
扭转惯矩 根部 腹板断面面积 弯曲刚度EcI 扭转刚度GcJt 剪切刚度GcAw
m4
m4 m2 KN.m2 KN.m2 KN
(4) 各种材料各尽所能, 充分发挥其效率：在波形钢腹板PC 箱梁桥中, 混凝土用来抗弯, 而波形钢腹板用来抗剪, 几乎所有的弯矩与剪力分别由混 凝土顶、底板和波形钢腹板承担, 而且其腹板内的应力分布近似为均布图 形, 而非传统意义上的三角形, 有利于材料发挥作用； (5) 增加了截面回转半径, 提高了结构效率：波形钢腹板PC 箱梁桥中 的混凝土均集中在顶、底板处, 回转半径几乎增加到最大值, 大大地提高了 截面的结构效率；
(10) 造型美观：波形钢腹板具有优良的外观, 可使桥梁获得较强的美 感，是山区、风景区较好的桥型选择。
2. 波形钢腹板PC箱梁桥在
国内外的应用
波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用
法国在80年代末期首先把钢腹板运用于桥梁结构，并建成了第
一座波形钢腹板箱梁桥Cognac桥。随着这种结构成功的运用，各国 都相继建造了数座此类型的桥梁。如法国的Maup`re桥、Asterix桥、
（不含日本）
桥
名
结构形式 3跨连续 7跨连续 7跨连续 3跨连续
跨径布置 （m） 31+43+31 40.95+47.25+53.5 5+50.4+47.25 +44.10+40.95 48+5@80+48 81.5+115+81.4
梁高 （m） 2.25 3.0 2.5-5.5 2.8
施工方法 满堂支架 顶推施工 悬臂施工 悬臂施工
混凝土顶、底板通过刚度较小的波形钢腹板而连接，所以有可能认为混凝 土板引起个别响应，但是从分析中已经确认到两个混凝土板连成一体响应，而 且不产生顶、底板之间的相位差，而且振幅基本相同。 一般波形钢腹板PC桥梁在面外方向具有较高的弯曲刚度，因此认为对面外 方向的地震没有特别要关注的问题。 总之，波形钢腹板PC桥梁的抗震能力介于PC桥与钢桥之间。
86.60
95.04 8.19 2.68x109 1.24x109 1.06x108
68.24
27.37 0.122 2.12x109 3.56x108 9.39x106
0.79
0.29 0.79 0.29 0.09
●
波形钢腹板PC桥的抗震性能
纵向抗震性：一般认为减轻了主梁的重量，所以有利于抗震。但是，主梁
顶推施工
支架施工 悬臂施工
2005
1989 2002
日本具有代表性的波形钢腹板桥
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 桥梁名 栗东桥 矢作川桥（东） 池山高架桥 中一色川桥 中一色川桥 宫家岛高架桥 入野高架桥 朝比奈川桥
施工方 法
悬臂施 工 悬臂施 工 悬臂施 工 悬臂施 工 悬臂施 工 悬臂施 工 支架施 工 悬臂施 工
和桥墩固结的刚构桥梁等地震时响应复杂，而且弯曲刚度小于一般的PC桥梁， 所以地震时不仅是下部结构，上部结构也有可能进入塑性域，因此有必要引起 注意 。
横向抗震性：波形钢腹板PC桥梁不具有混凝土腹板，所以减少了承受面外 方向地震的受拉钢筋。因此，预计面外方向的抗力低于通常的混凝土箱梁桥。 但是，面外方向的弯曲刚度亦有所下降，可是其量较小，所以认为两者的抗震 性能基本相同。
Doie桥、挪威的Tronko桥、委内瑞拉的Caracas桥、Corniche桥。
日本在引进这种新结构后，很快就在1993年成功建造了日本第一座 波形钢腹板箱梁桥—新开桥。随着科研和实践的进一步的深入，日
本建造了一系列的此类桥，成为目前修建此类桥型最多的国家，在
建和已建成的桥已超过200座。
国外具有代表性波形钢腹板预应力砼箱梁桥
力学特性
● PC箱梁与波形钢腹板PC梁桥的刚度比较表
单位 ①PC桥 ②波形钢腹板桥 ②/①
断面面积
断面惯性距 扭转惯矩 跨中 腹板断面面积
m2
m4 m4 m2
7.12
6.19 12.31 2.10
5.80
5.61 5.16 0.027
0.81
0.91 0.42 -
弯曲刚度EcI
扭转刚度GcJt 剪切刚度GcAw 断面面积
• 德国 • Altwipfergrund 桥
矢作川斜拉桥：173.4m+2×235.0m+173.4m, 已建成的最宽的波形钢腹板桥，桥宽43.8m
日本、日见低塔斜拉桥：91.8m+180m+91.8m
曾宇川桥：23.1m跨波形钢 腹板预应力砼Ｔ梁桥
波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用
国内对波形钢腹板箱梁的研究还处于初级阶段，先后有交通部交 通科研设计院、西南交通大学、东南大学、重庆交通大学等单位对该组 合箱梁的钢腹板屈曲强度、方案设计、桥面板有效宽度、剪力连接键等 做过研究。 到目前为止，国内只修建了6座波形钢腹板箱梁桥，分别是青海三 道河桥（50m跨单箱双室大箱梁），江苏淮安的长征桥(18. 5m+30. 5m 十18. 5m的3跨连续梁，人行桥)，河南的泼河大桥(4跨30米先简支后连 续梁桥，公路桥)，重庆市永川的大堰河桥(25m简支箱梁，公路桥)及山 东东营的两座人行桥。 正在施工的有山东鄄城黄河公路大桥（70m+11@120m+70m连续 梁)及已完成施工图设计有深圳市的南坪快速路二期工程的南山大桥 （80m+130m+80m刚构桥）、甘泉大桥（95m+130m+80m刚构－连 续桥），正设计中的南京长江四桥引桥（50m+90m+50m跨连续梁）。
波形钢腹板PC箱梁桥的优点
(1) 自重降低, 抗震性能好：其桥梁自重与一般的预应力混凝土箱梁 桥相比大为减轻, 地震激励作用效果显著降低。 (2) 节约建筑材料, 改善经济指标：大幅度减轻了上部结构的自重, 减 少于混凝土、预应力钢材、钢筋用量，并使下部结构的工程量获得减少, 从而降低了工程总造价； (3) 改善结构性能, 提高预应力效率：波形钢腹板的纵向刚度较小, 几 乎不抵抗轴向力, 因而在不承受预应力, 纵向预应力束可以集中加载于上、 下翼缘板, 从而有效地提高预应力效率；
建成年份 1986 1987 1988
Cognac桥（法国） Maup`re高架桥 （法国） Dole桥（法国） Altwipfergrund 桥 （德国）
Ilsun桥（韩国）
Asterix桥（法国） Coniche桥 （委内瑞拉）
14跨连续
2跨连续 7跨连续
50+10@60+50 +2@50.5
43 (最大跨径） 80(最大跨径） 2.25 3.5
波形钢腹板组合箱梁桥 ----应用与研究
1 、波形钢腹板PC箱梁桥的定义与特点 2 、波形钢腹板PC箱梁桥在国内外的应用 3 、波形钢腹板PC箱梁桥的力学特性与结构要点 4 、波形钢腹板PC箱梁桥的设计、计算 5 、波形钢腹板PC箱梁桥施工
6 、波形钢腹板PC箱梁的经济效益
Hale Waihona Puke Baidu 1. 波形钢腹板PC箱梁桥的
跨径布置(m) 137.6＋170.0＋115.0＋67.6 173.4＋2×235.0＋173.4 46.5＋104.0＋114.0＋99.0＋ 4×106.5＋98.0＋50.5 71.3＋3×130.0＋71.3 62.8＋3×112.0＋110.5＋61.3 51.2＋7×53.0＋54.0＋85.0＋53.0 ＋3×52.0＋58.5＋60.0＋101.5 56.7＋3×58.0＋80.0＋124.0＋ 80.0＋2×58.0＋45.7 81.2＋150.4＋91.2＋73.2＋94.7＋ 104.8＋73.2 53.0＋105.0＋136.0＋99.0＋53.0 76.8＋120.0＋104.0＋120.0＋76.8 43.8＋91.0＋135.0＋74.0＋37.3 64.9＋3×105.0＋124.0＋75.0＋ 54.0＋52.9
山东鄄城黄河公路大桥： 70m+11×120m+70m
3.波形钢腹板PC箱形梁的
力学特性与结构要点
●
波形钢腹板PC箱梁竖向弯曲符合以下假定
（1）忽略波形钢腹的纵向抗弯作用 （2）在竖向荷载作用下弯曲平面假定成立 （3）弯矩仅由顶底板构成的断面承担 （4）剪力由波形钢腹板承担，且剪应力呈均匀分布
竣工年份 施工中 2005 2006 施工中 施工中 施工中 施工中 施工中 施工中 施工中 施工中 施工中
上伊佐布第三 高架桥
前川桥 谷津川桥 菱田川桥
悬臂施 工
悬臂施 工 悬臂施 工 悬臂施 工
Maup`re高架桥
本谷桥
施工中的栗东桥
栗东桥实景（部分斜拉桥）
137.6m＋170.0m＋115.0m＋67.6m
因此有必要时，可以在使用期间封闭交通来更换体外索。
（3）波形钢腹板节段之间及与上、下混凝土板的连接：波形钢腹板
的预制节段之间一般通过高强螺栓或现场焊接的方式连接，波形钢板与混 凝土顶底板的连接：一是非埋入式连接，在波形钢板的上下端部焊接钢板， 钢板上焊接剪力钉（柱型螺栓），使之与混凝土板结合在一起。二是埋入 式连接，在波形钢板上打孔。穿过钢筋（贯通钢筋），再在钢板的上、下 端部焊接纵向钢筋（约束钢筋）并埋入混凝土的结合方法。
（1）波形钢腹板在纵向由于折皱效应，其纵向抗拉压刚度小，故设计
时可以认为波形钢腹板不承受轴向力：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。 波形钢腹板主要作用在于抗剪，故波形钢腹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。 （2）波形钢腹板预应力砼箱梁的另一技术特点是通常采用体内、体外 预应力索并用的方式：即在混凝土顶板、底板中配置纵向预应力筋，用以抵 抗施工时的荷载及自重。在箱内配置体外预应力束，通过转向块来转向并最 终锚固在横隔板上，实现曲线或折线配筋，以体外索来承担外荷载的作用，
构造形式 4跨部分斜拉桥 4跨预应力斜拉桥 10跨预应力连续刚 构 5跨预应力连续粱 6跨预应力连续粱 23跨预应力连续粱 10跨预应力连续粱 7跨预应力连续刚构 5跨预应力连续刚构 5跨预应力连续粱 5跨预应力连续粱 8跨预应力连续刚构
桥长(m) 495.0 820.0 941.0 535.4 574.3 1432.0 679.0 670.7 449.0 500.0 383.5 688.0
(6) 减少现场作业, 加快施工进程：波形钢腹板PC 箱梁桥在施工过程中,
可以减少大量的模板、支架和混凝土浇注工程, 免除在混凝土腹板内预埋管道的 烦杂工艺, 而且波形钢腹板可以工厂化生产, 现场拼装施工, 且能作为施工挂篮、 导梁等承重构件，从而简化施工设施，快了施工进程。
(7) 减少了节段数量, 缩短了工期：由于梁体自重的减轻, 悬臂施工时, 可减少节段数量, 因而可以大大地加快施工速度, 缩短工期；