波形钢腹板组合箱梁的性能研究

波形钢腹板组合箱梁的性能研究
摘要：波形钢腹板组合梁是一种新型的钢—混凝土组合结构，由于它充分利用了混凝土和钢的材料特点，具有良好的受力性能，并且减轻了结构的自重，因而得到了越来越广泛的应用。

本文阐述了波形钢腹板箱梁的结构特点、受力性能、结构计算、结构验算的研究成果，为同类型桥梁的设计提供了设计依据。

关键词：波形钢腹板;组合箱梁
在中大跨径桥梁中，预应力混凝土箱形截面由于其抗弯和抗扭刚度大，结构稳定，因而得到了广泛的应用。

但随着跨径的增大，梁的自重占整个荷载的比重也越来越高，施加的预应力大部分都是为抵抗自重所产生的内力，因此，减轻梁的自重也显得越来越有实际意义。

箱形截面的顶板、底板是根据抗弯要求设计的，优化其厚度的余地很小。

对混凝土腹板来说，腹板中要布置纵向预应力钢束、普通钢筋，再考虑到施工方面的影响，其厚度所占的重量可达整个截面重量的30%~40%，且减少的幅度已经很少。

对箱梁来说，可能优化的部分就是腹板。

随着体外预应力技术的日趋成熟，法国提出了用平面钢板代替混凝土腹板，通过箱形截面内的体外预应力索对梁施加预应力。

其中法国的Fert’e-Saint-Aubin 桥是这种结构形式的典型代表（如图1）。

但是因为钢板与混凝土的弹模差别很多，混凝土收缩和徐变产生的变形收到钢板的约束，钢腹板与混凝土翼板之间会发生应力重分布现象，从而造成混凝土顶板和底板的预应力严重损失。

同时，由于钢腹板承受的较大的预应力，这就要求在钢腹板上增设加劲板或增大钢板厚度或缩小加劲板的间距以防止失稳，这将会增加结构的造价，也就显示不出结构的优越性。

图1平钢腹板典型截面
后来，法国桥梁工程界用波形钢腹板代替混凝土腹板，见图2。

由于几毫米厚的钢板就能承担数十厘米厚混凝土所能抵抗的剪力，而钢板重量亦仅为混凝土板的1/20左右，这样就能有效地减轻结构的重量，从而实现了桥梁的轻量化，使其具有更大的跨越能力。

图2波形钢腹板PC组合梁结构示意图
1、波形钢腹板箱梁的优缺点
1）波形钢腹板箱梁与预应力混凝土箱梁相比的优点:
①自重降低，抗震性能好。

腹板采用较轻的波形钢板，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，抗震性能获得一定的提高。

②节约建筑材料，改善经济指标。

采用波形钢腹板代替厚重的混凝土腹板，大幅度减轻子七部结构的自重，增大了桥梁的跨径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，几乎不抵抗轴向力的作用，因而在施加预应力时不受抵抗，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。

④各种材料各尽所能，充分发挥其效率。

在波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥中，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上、下混凝土翼缘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。

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥中的混凝土均集中在上下翼缘处，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。

⑥减少现场作业，加快施工进程。

波形钢腹板预应力混凝土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作，免除在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工艺，而且波形钢腹板可以工厂化生产，现场拼装施工，从而加快了施工进程。

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，如在采用混凝土腹板箱梁时，本谷桥需要39个节段，而采用波形钢腹板后，只需要31个节段，节段数减少了20%，因而可以大大地加快施工速度，缩短工期。

⑧体外预应力钢束可以替换，便于桥梁的维修和补强。

波形钢腹板预应力混凝土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，而波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥则不会出现上述问题，耐久性能较好。

⑩造型美观。

2）波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥的不足之处:
①波形钢腹板较高的制作成本和防腐涂装是其主要缺点，但随着制作工艺和防腐涂层技术的提高，这一问题也正逐步地得到解决。

②相对于普通的预应力混凝土箱梁来说，波形钢腹板箱梁断面的抗扭刚度和抗畸变形刚度有所降低。

③波形钢腹板的屈曲破坏较突然，且在屈曲后阶段，其承载能力大约下降到相当于平钢腹板的水平。

④当波形钢腹板之间采用焊接连接时，其竖向边缘焊接数量比平钢板腹板稍有增多。

⑤波形钢腹板有较多的拐角，容易滞留泥沙等杂质，比平钢板腹板易受腐蚀。

2波形钢腹板箱梁的结构计算
1）弯曲及轴向刚度
当波形钢腹板受到轴向力作用时，由于薄钢腹板的褶皱效应，使钢腹板在轴向产生很大的变形，因而使钢腹板的轴向有效弹性模量大大降低。

一般情况下，波形钢腹板的轴向有效弹性模量与波高和板厚以及波形形状等有关系，可用下式来表达
式中：Ex——波形钢腹板的轴向有效弹性模量；
Eo——钢板的弹性模量；
h——波形高度；
t——钢板厚度；
α——波形形状系数，见表1。

表1各种波纹的形状系数
类型波纹形状波纹形状系数α
A
B
C
D
2）剪切刚度
国内外试验均表明，波形钢腹板组合箱梁的剪应力分布与混凝土腹板中的情况不同，沿腹板高基本呈等值分布，钢腹板中的应力状态可视为纯剪。

波形钢腹板组合箱梁的上、下混凝土翼缘板的剪切刚度比较小，桥梁中的剪力几乎完全由波形钢腹板承担，在实桥设计当中，本着安全设计的原则，假定结构所有的剪力都由波形钢腹板来承受，而忽略混凝土顶底板对剪力的抵抗作用。

当平钢板弯折成波形后剪切刚度将降低，用下式可以计算
式中：GS为钢材的剪切弹性模量，，E和ν分别为钢板的弹性模量和泊松比；AW为腹板的截面积，a为剪切刚度修正系数，与波形形状有关，是波形钢腹板桥梁纵向的长度与沿着纵向展开后长度比，即，其中，aw、bw、cw分别为波形钢腹板的直板段、斜板段及斜板段在桥梁纵向的长度。

3）扭转刚度
波形钢腹板组合箱梁的扭转刚度是由钢腹板与混凝土翼缘板构成的组合截面刚度，要考虑 2 种不同性质材料的组合。

同时，与混凝土翼缘板相比较，波形钢腹板的刚度极小，需要考虑因箱梁截面形状不同，钢腹板及其混凝土翼缘板所具有的有效扭转刚度。

在计算扭矩时扭转刚度可以用下式计算
式中：t1为左腹板厚，t2为顶板厚，t3为右腹板厚t4底板厚，b1为腹板中心间距，ns为钢材与混凝土的剪切弹性模量比，即。

修正系数β用下式表示，并且当h1/b1在0.2以下时，设β=0
3、波形钢腹板组合箱梁截面验算
1）抗弯验算
在计算波形钢腹板组合箱梁受弯、受拉压状态的截面力时，考虑到剪切刚度对截面力的影响很小，仅仅考虑弯曲刚度。

而波形钢腹板在桥梁纵向不具有抗弯
性能，因此可以仅仅考虑混凝土截面的刚度，见图3。

在验算其混凝土应力是否超过容许应力的同时，还要验算承载能力，其方法可以参照普通混凝土箱梁的一些规定。

有效截面轴应力弯曲应力
3波形钢腹板箱梁的抗弯有效截面及应力分布
2）抗剪验算
在对波形钢腹板箱梁进行抗剪验算时，可认为仅仅波形钢腹板承担剪力的作用，不考虑混凝土翼缘板的作用。

波形钢腹板截面上作用的剪应力沿着高度均匀分布，截面高度上的平均剪应力由下式计算
式中：S、Sp分别表示荷载作用时的剪力及其预应力斜钢筋所负担的剪力，Aw是波形钢腹板的横断面积。

3）抗扭验算
钢腹板及其混凝土翼缘板由扭矩引起的剪应力分别按照下式计算
式中：tw、tf为波形钢腹板及其混凝土翼缘板的厚度，分别为t1或t3、t2或t4。

4结语
波形钢腹板组合箱梁是一种新型结构形式，现在也正在我国蓬勃的发展，波形钢腹板桥梁也建设的越来越多。

国内外的实践证明，波形钢腹板组合桥梁是经济、高效新型桥梁形式，在大、中跨度桥梁中，其综合经济效益显著。

波形钢腹板组合梁是一种新型的钢—混凝土组合结构，由于它充分利用了混凝土和钢的材料特点，具有良好的受力性能，本文的研究，为今后的同类型的桥梁的设计提供了一定的依据。

参考文献：
[1]刘磊钱冬生波形钢腹板的受力行为[J]铁道学院.2000.22(增刊):53-56.
[2]刘磊钱冬生波形钢腹板预应力结合梁桥[J]国外公路.1999.19(1):26-30.
[3]万水陈建兵袁安华喻文兵波形钢腹板组合箱梁简化计算及试验研究[J]华东交通科技.2005.22(1)：13-14.。