波形钢腹板连续刚构桥极限跨度研究

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桥梁建设2017年第47卷第4期（总第245期）Bridge Construction, Vol. 47, No. 4, 2017 (Totally No. 245)
文章编号：1003 — 4722(2017)04 — 0072 — 06
波形钢腹板连续刚构桥极限跨度研究
宋随弟，陈克坚，袁明
(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)
摘要：针对现有波形钢腹板连续刚构桥跨度偏小的情况，分析影响该类桥梁极限跨度的主 要因素，并提出解决限制其跨度增长的关键问题的相应技术措施。

分析表明：波形钢腹板的整体稳 定性、箱梁的扭转及畸变会极大地限制波形钢腹板箱梁桥的跨度，其最大跨度应该能够达到甚至超 过混凝土腹板箱梁桥的跨度。

对于30 m m厚的1600型波形钢腹板，当钢腹板整体屈曲失稳分别 发生在屈服区和非弹性区时，波形钢腹板箱梁连续刚构桥的最大跨度可分别达到162 m和238 m;
增大波高或采用复合波形钢腹板时，该类桥梁的跨度能超过300 m。

当波形钢腹板箱梁桥的跨度 超过160 m时，可以考虑采用复合波形钢腹板；当跨度超过230 m时，应该采用复合波形钢腹板。

设置适当数量的横隔板可以提高波形钢腹板箱梁的抗扭转及抗畸变能力，可采用钢桁架等轻型横 隔板以减轻其自重。

关键词：连续刚构桥；波形钢腹板；组合箱梁；屈曲稳定；复合波形钢腹板；极限跨度
中图分类号：U448. 216;U448. 23 文献标志码：A
Study of Ultimate Spans of Continuous Rigid-
Frame Bridges with Corrugated Steel Webs
SONG Sui-di, CHEN Ke-jian , YUAN Ming
(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)
Abstract：In view of the fact that the spans of the existing continuous rigid-fram e bridges w ith corrugated steel webs are a bit sh ort, the m ajor factors that m ight have influences on the ultim ate spans of the bridges are analyzed and the corresponding technical m easures that can provide solu­tion to the critical problem s that restrict the increase of the spans are proposed. T he results of the analysis suggest that the facto rs, such as the global stability of the corrugated steel webs and the torsion and distortion of the box girders of the rigid-fram e bridges, can greatly restrict the spans of the bridges and the longest spans of the bridges should be able to reach or even exceed those of the concrete web box girder bridges. For the type 1600 corrugated steel webs of 30 mm thickness, w hen the global buckling instability of the webs occurs respectively in the yielding and non-elastic zones, the longest spans of the bridges can respectively reach 162 m and 238 m. W hen the corruga­tion height is increased or the com posite corrugated steel webs are utilized, the spans can be even longer than 300 m. W hen the spans of the bridges are longer than 160 m, the utilization of the com posite corrugated steel webs can be considered. W hen the spans are longer than 230 m, the webs should be utilized. T he arrangem ent of the appropriate am ounts of the diaphragm s in the box girders can improve the torsion and distortion resistance capacity of the girders and the utilization of the lightw eight diaphragm s like the steel trusses can reduce the dead w eight of the girders.
Key words：continuous rigid-fram e bridge；corrugated steel w eb；com posite box g irder；buck­ling stability；com posite corrugated steel w eb；ultim ate span
收稿日期：2016 —10 —08
作者筒介：宋随弟，教授级高工，E-mail:911353253®。

研究方向：大跨度桥梁结构、组合结构。

波形钢腹板连续刚构桥极限跨度研究 宋随弟，陈克坚，袁明73
1引言
大跨度预应力混凝土连续刚构桥的跨度越大，恒载占总荷载的比例越高，腹板面积占全截面面积的比例也越高，腹板自重增加是箱梁结构自重增加的最主要因素；另外，随着桥梁跨度及梁高的增大，腹板的高度与厚度之比越来越大，施工难度也越大，腹板开裂几率大大增加，这都是限制预应力混凝土连续刚构（梁）桥跨度进一步加大的最主要障碍。

预应力波形钢腹板箱梁桥较预应力混凝土箱梁 桥的总造价可节省8%〜15%[1]。

采用波形钢腹板 箱梁时，跨度越大，经济性越明显。

波形钢腹板箱梁桥的总体受力特性与混凝土腹 板箱梁桥的总体受力特性基本相似，通过设置合理 的梁高、波形钢腹板形式及厚度、顶板和底板厚度及 纵向钢束后，波形钢腹板箱梁连续刚构（梁）桥的总 体抗弯和抗剪均可以满足要求，仅仅是钢腹板等局 部构件的受力方式不同，而波形钢腹板箱梁桥的自 重更轻，所以，理论上波形钢腹板箱梁连续刚构（梁）桥应该可以较混凝土腹板箱梁桥达到更大的跨度。

目前预应力混凝土腹板箱梁连续刚构（梁）桥的最大 跨度已超过300 m，因而，波形钢腹板箱梁连续刚构 (梁）桥的跨度应该也能达到甚至超过300 m。

目前 最大跨度的波形钢腹板箱梁桥为日本的丰田巴川桥，其主跨跨度为164 m[1]，该跨度还远没有达到已 建混凝土腹板箱梁连续刚构桥的最大跨度，更没有 达到波形钢腹板箱梁连续刚构桥的极限跨度。

为研究波形钢腹板连续刚构桥的极限跨度，本 文分析影响其极限跨度的主要因素，并研究相应的 技术措施，以期波形钢腹板连续刚构桥的跨度超过300 m成为可能。

2影响大跨度波形钢腹板箱梁桥极限跨度的主要因素
Q345钢材的抗剪容许应力是C60混凝土抗剪 容许应力的68. 6倍，30 m m厚的波形钢腹板理论上能达到30 mmX68. 6= 2 060 m m厚混凝土腹板 所能达到的抗剪承载能力。

按钢腹板的极限抗剪承 载能力与混凝土腹板满足构造抗剪要求的最大抗剪 承载能力进行比较时，30 m m厚钢腹板与等高度1 557 m m厚混凝土腹板的承载能力相当；而大跨度 混凝土连续刚构（梁）桥的箱梁并不需要如此厚度的 腹板，因此，波形钢腹板箱梁的腹板抗剪强度是能够 满足受力要求的。

控制波形钢腹板箱梁连续刚构（梁)桥跨度继续增大的主要因素是：波形钢腹板的屈曲、剪力键的强 度、箱梁的抗扭性能和抗畸变性能等，解决了这些关 键性技术问题，就基本上解决了大跨度波形钢腹板箱梁连续刚构（梁）桥跨度继续增大的障碍。

2.1钢腹板的屈曲稳定性
选取我国行业标准《组合结构桥梁用波形钢腹板》(JT/T 784 —2010)中规格最大、钢板最厚的30 m m厚1600型波形钢腹板计算波形钢腹板箱梁连续刚构（梁）桥所能达到的最大跨度。

考虑到材料、制造和结构韧性等问题，钢腹板的厚度最好不要超过30 mm，所以钢腹板的最大厚度暂取30 mm。

当钢材性能和制造工艺提高后，或波形钢腹板的构造尺寸增大后，也可以采用较厚的钢板。

波形钢腹板 断面及参数如图1所示，钢材采用Q345qD，图中a =430 mm，6=370mm，c=4：30 mm，<i=220 mm“=30mm。

2.1.1局部剪切屈曲强度验算
以300 m跨度波形钢腹板箱梁桥为例，其最高 根部梁高取跨度的1/16(18. 75 m)。

按照《公路波 形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》（DB 41/T 643 —2010)中推荐的局部屈曲临界应力验算公式计 算出的剪切失稳系数As=〇. 30<0. 6,即波形钢腹板 能满足局部稳定性要求，跨度对波形钢腹板局部屈曲稳定性的影响很小。

2. 1.2整体屈曲验算
当钢腹板的整体屈曲失稳发生在材料的屈服区 时，按照《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计 规范K D B 41/T 643 —2010)中推荐的整体屈曲临界应力验算公式反算30 m m厚的1600型波形钢腹 板所能达到的最大高度t为6 040 mm。

对于大跨度波形钢腹板箱梁连续刚构桥，在箱 梁根部两侧要设置内衬混凝土[2]，该区域长度一般 为根部梁高的1.0〜1.5倍。

在没有腹板内衬混凝土的截面，腹板处顶板的厚度（包含顶板梗胁）需加 厚至90 cm;底板厚度约为100 cm，其与腹板相接处 梗胁高为50 cm(顶、底板厚度及梗胁高等根据小跨 度桥梁的经验估算得到），
则在钢腹板内衬混凝土末
74桥梁建设 Bridge Construction2017, 47(4)
端的截面梁高为：（604 +90 +150) cm =854 cm。

若梁高与跨度之比为1/16,加上有内衬混凝土的梁 段，则波形钢腹板箱梁桥的最大跨度约为8.54 m X (16 +3)〜162 m。

以上计算的前提是设定波形钢腹板的屈曲发生 在屈服区(A s<0. 6)，当波形钢腹板的屈曲失稳发生
在非弹性区时(0. 6<A S<#)，适当降低波形钢腹板 的剪切屈曲强度[3]，则最大跨度还可以提高（如取 As=l时，波形钢腹板箱梁连续刚构桥的最大跨度约为238 m)。

2.1.3合成屈曲验算
对于波形钢腹板的合成屈曲强度，一般采用瑞 典规范提供的经验公式进行计算，得出的合成屈曲 应力为r… =305 M Pa，合成屈曲发生在屈服区，能够 满足合成屈曲稳定性要求。

2.2钢腹板与顶、底板之间剪力键的强度
当顶、底板的厚度和宽度相等时，波形钢腹板与 混凝土顶、底板之间剪力键所受的剪力为：
p _QS, ,=Q y A______________Qe
1 A ty2t-\-Abyl +2Aty t 式中，Q为截面所承受剪力；S t为截面顶、底板对全 截面中性轴的面积矩；I为全截面惯性矩；e为剪力 键的纵向间距;人、A b分别为截面的顶、底板面积；：yt、：yb分别为顶、底板中性轴到全截面中性轴的距离，L分别为顶、底板对其自身中性轴的惯性矩。

而Q〜raX A t X L;：y t与梁高A呈近似线性关系，;yt〜T O/i=T O t，贝!J上式可改写成：
r，Qe e Q e nAxLk ek H =---------=—• ---------—• ----------=n •----
2Atyt 2 A ty t 2 A tLm 2m 式中，w为单位梁长产生的剪力与截面顶板面积之比;l为桥梁跨度;™为顶板中性轴到全截面中性轴 的距离与梁高之比，々为结构跨度与梁高之比。

由上式可知，当剪力键纵向间距e确定、顶板和 底板面积相等、高跨比不变时，波形钢腹板箱梁连续 刚构（梁)桥跨度变化对剪力键所承受剪力的影响不 大。

实际上还可通过增加剪力键数量或增大规格的 方式提高钢腹板与顶、底板之间的连接强度，因此，剪力键不是制约波形钢腹板箱梁连续刚构（梁)桥跨 度的因素。

2.3波形钢腹板箱梁扭转、畸变和挠度
波形钢腹板箱梁的抗扭刚度较混凝土腹板箱梁 的抗扭刚度小、抗畸变能力也较弱；偏心荷载会在波 形钢腹板组合箱梁结构中产生较大的扭转翘曲正应力和畸变正应力[4]，在计算截面应力时不能忽略；波 形钢腹板箱梁的活载作用偏心系数要大于混凝土箱 梁的活载作用偏心系数[5]。

随着波形钢腹板箱梁连 续刚构（梁)桥跨度的增加，波形钢腹板箱梁的总体抗扭、抗畸变能力还将降低，当桥宽较小时，还会引 起箱梁结构整体失稳的可能性。

另外，在计算波形 钢腹板箱梁桥的竖向挠度时，要充分考虑腹板剪切变形的影响[6]。

3提高波形钢腹板整体稳定性的技术措施
波形钢腹板的整体屈曲稳定性限制了钢腹板高 度的增加，进而影响了桥梁跨度的进一步增长。

根 据文献[7]中的推荐公式，整体屈曲强度可以表示为：_36/? pp dv^18/? p
T c r'g =^96 S^96T T
式中，为波形钢腹板竖向的边界系数;£为钢板的 弹性模量;/^为波形钢腹板高度以为波形钢腹板的 厚度；一般情况下P g大都在〇. 5左右。

由上式可知，整体屈曲强度与波形钢腹板高度&的平方成反比，与d#成正比，波形钢腹板的波高是控制整体屈曲的主要因素。

若要继续增加波形 钢腹板箱梁桥的跨度，使钢腹板不发生整体屈曲失稳，则必须增大波形钢腹板的波高，或增加波形钢腹 板的厚度。

根据《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》（DB 41/T 643 — 2010)中的推荐公 式计算r…,g时，可以得出相似的结论。

根据以上分析，考虑采取增加波形钢腹板的波高、采用复合波形钢腹板、增加顶板和底板梗胁高度 的技术措施提高波形钢腹板的整体稳定性。

3.1增加波形钢腹板的波高
若要波形钢腹板箱梁桥的跨度达到300 m，设 根部梁高（18. 75 m)与跨度之比为1/16,没有内衬 混凝土的截面腹板处顶板厚度为〇. 9m、底板厚度 暂为1.2 m，底板与腹板相接处梗胁高为0. 5m(高 跨比、顶底板厚度、梗胁高等根据小跨度桥梁的经验 估算得到），使钢腹板的屈曲发生在屈服区，则该截 面的钢腹板高度应为[300八16 +3) —0. 9—1. 2 —0•5] m〜13. 2 m0
设定波形钢腹板的形状与《组合结构桥梁用波形钢腹板K J T/T 784 —2010)中1600型波形钢腹 板相似，按比例放大该型号的几何尺寸，将波形钢腹 板的波高调整为6U m m后，波形钢腹板就能够满足跨度为300 m时的整体稳定性要求。

波形钢腹板的参数为：a=l 259 mm，6=l 083 mm，c=l 259
波形钢腹板连续刚构桥极限跨度研究 宋随弟，陈克坚，袁明
75
mm ，J =644 mm “ = 30 mm 。

经计算，该波形钢腹 板也能满足局部屈曲验算要求。

在我国的行业标准《组合结构桥梁用波形钢腹 板K JT /T 784 — 2010)中波形钢腹板的最大波高为 220 mm ，并没有波高为644 m m 的波形钢板型号， 国外桥梁中也没有使用过这种波高的钢腹板。

3.2采用复合波形钢腹板
将2片形状系数相同的波形钢腹板通过锚栓联 结在一起，形成复合波形钢腹板，如图2所示。

这样 不仅能够増加钢腹板的总厚度，还提高了钢腹板2 个方向的抗弯惯性矩，大幅度提高波形钢腹板的抗 屈曲性能。

图
2复合波形钢腹板示意（一个波长）
Fig. 2 Composite Corrugated Steel Web (Length of One Corrugation)
将2个厚15 mm 、波高为220 m m 的波形钢板 拼接在一起形成复合钢腹板，当波形钢腹板的剪切 屈曲系数A s = 〇. 805时，箱梁桥的跨度可以达到 300 m 0
标准波形钢腹板箱梁与复合钢腹板箱梁极限跨 度的比较如表1所示。

由表1可知，仅増加钢腹板 厚度对増大波形钢腹板箱梁桥极限跨度的效果与増 加的材料数量不相匹配，如钢腹板厚度从15 m m 増 加到30 m m 时，钢板厚度増加了 100%，但在剪切 失稳系数彳8 = 〇. 6时极限跨度却只由140 m 増大到 了 162 m ，増加了 15. 7%。

但采用由2片15 m m 厚
钢板组成的复合钢腹板时，桥梁的极限跨度増加到 了 234 m ，増加了 67%，将普通波形钢板改成等厚度 的复合钢腹板时，桥梁的极限跨度増大了 44%以 上。

当复合波形钢腹板的厚度为30 mm ，在剪切失 稳系数A s = 〇. 6时跨度就可以达到274 m ，当取较 大的剪切失稳系数时最大跨度可以超过300 m ，甚 至达到400 m 。

可见，复合波形钢腹板箱梁可以明 显提高钢腹板的抗整体屈曲失稳性能，从而提高波 形钢腹板桥梁的极限跨度。

当波形钢腹板桥梁的跨度较小（梁高较低）时， 腹板的强度将成为控制性因素；当波形钢腹板桥梁 的跨度较大(梁高较高）时，腹板的稳定性将成为控 制性因素；当跨度超过160 m 时，可以考虑采用复 合波形钢腹板；当跨度超过230 m 时，应该采用复 合波形钢腹板。

3. 3
増加顶、底板梗胁高度
为了控制波形钢腹板的高度，还可以将顶、底板 与钢腹板连接处的梗胁加高，或在腹板上、下缘増加
一段混凝土腹板，从而在总梁高不变的情况下降低 波形钢腹板的高度，如图3所示。

4
波形钢腹板箱梁抗扭和抗畸变措施
(1)设置必要数量的横隔板。

设置横隔板能够 比较有效地降低波形钢腹板箱梁的扭转正应力和畸 变正应力[8 9]。

但横隔板数量过多，不仅会増加结构 自重，而且会使组合箱梁构造更加复杂，施工难度増 加，所以横隔板的设置必须综合研究确定，必要时可 设置能够减小自重的变异型横隔板（如兰州北环小 砂沟大桥采用了不完全形式的横隔板，仅在两腹板 内侧设置了混凝土肋[1°])，也可以采用钢结构等轻 型横隔板。

对于还兼作体外钢束转向块作用的横隔
表
1标准波形钢腹板箱梁与复合钢腹板箱梁极限跨度
Tab. 1 Ultimate Spans of Box Girder with Typical or Composite Corrugated Steel Webs
剪切失稳 系数As 钢板容许 应力/M Pa 等强混凝土 腹板厚度/cm 钢腹板 厚度/m m 钢腹板 高度/m 腹板处顶 板厚度/cm 底板厚 度/cm 底板梗胁 高度/cm 极限跨 度/m 控制因素0. 61200. 778155. 0580********强度、稳定标准波形钢腹板
1. 090. 50. 587158. 419010050(207)强度0. 61201. 56306. 049011050162稳定1. 091. 01. 173010. 069011050238强度、稳定0. 61201. 562X 159. 849011050234稳定0. 805
105. 41. 362X 1513. 29012050300稳定复合波形钢腹板
1. 01201. 172X 1516. 49012050(361)强度0. 61203. 112X 3011. 939011050274稳定0. 664 311
2. 52. 92X 301
3. 29012050300稳定1. 0
90. 5
2. 33
2X 30
19. 87
90
120
50
427
稳定
注：顶板和底板厚度、梗胁高等根据小跨度桥梁的经验估算得到。

括号内的数值为由稳定控制的跨度，实际上此时的跨度已由钢腹板强度
控制，因此该数值达不到。

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桥梁建设
Bridge Construction
2017, 47⑷
图
3局部加高混凝土腹板示意
Fig. 3 Heightening of Local Concrete Webs
板需要一定的强度和厚度，这类横隔板可做成全箱 宽横隔板。

当横隔板不兼作体外钢束转向块时，可 采用部分箱宽横隔板、钢结构等轻型横隔板。

钢结 构横隔板可以采用整体式或桁架式，也可以在钢腹 板上设置竖向加劲肋，如图4所示。

(2)
采用斜波形钢腹板箱梁。

采用斜波形钢腹 板箱梁，也可以较大地提高截面的抗扭转能力和刚 度，从而可减少横隔板的数量和总重量，但斜腹板采 用悬臂现浇施工方案时，对施工工艺的要求较高。

(3)
结构分析时应充分考虑活载的偏载效应。

采用平面梁单元法分析波形钢腹板箱梁桥的内力 时，应根据波形钢腹板的抗扭刚度和抗畸变刚度计 算偏心系数;文献[5]等资料提出了波形钢腹板组合 箱梁偏心荷载增大系数的计算方法。

(4)
控制桥梁最小宽度。

桥梁宽跨比较小时，
波形钢腹板箱梁桥的抗扭刚度及抗畸变性能相对较 差，会使活载作用的偏心增大系数更大，所以要控制 桥梁的宽跨比，使活载作用偏心增大系数在可以接
受的范围内；当偏心增大系数太大时，应增加桥梁宽 度（如左、右幅桥合修)或减小桥梁跨度。

5
结论(1)
波形钢腹板箱梁与混凝土腹板箱梁的整体
受力性能相似，仅钢腹板等局部受力性能不同，波形 钢腹板箱梁桥的最大跨度应该能够达到甚至超过混 凝土腹板箱梁桥的跨度。

(2)
波形钢腹板箱梁桥跨度主要受波形钢腹板
整体稳定性、扭转及畸变的控制，采用30 m m 厚的 1600型波形钢腹板，当钢腹板整体屈曲失稳分别发 生在屈服区和非弹性区时，波形钢腹板箱梁连续刚 构（梁）桥的最大跨度分别可达到162 m 和238 m 。

(3)
保持1600型波形钢腹板的形状系数不变，
当将其波高增大到644 mm 、钢板厚度取30 mm ，使
钢腹板的失稳屈曲发生在屈服区时，波形钢腹板箱 梁连续刚构（梁）桥的跨度能达到300 m 。

(4)
采用复合波形钢腹板，可以极大地提高复
合波形钢腹板箱梁桥的极限跨度；使钢腹板的失稳 屈曲发生在非弹性区时，波形钢腹板箱梁桥的最大 跨度可超过300 m ，甚至超过400 m 。

(5)
当波形钢腹板箱梁桥的跨度超过160 m
时，可以考虑采用复合波形钢腹板；当跨度超过230
m 时，应该采用复合波形钢腹板。

(6)
波形钢腹板箱梁的抗扭转及抗畸变能力较
差，应该根据跨度、梁高、箱宽及横隔板间距等综合
因素计算偏载系数，并设置适当数量的横隔板。

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图
4钢结构横隔板示意
Fig. 4 Steel
Structure Diaphragms
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宋随弟
1970 —，男，教授级高工
1993年毕业于兰州铁道学院铁道
工程专业，工学学士，1996年毕业
于西南交通大学桥梁与隧道工程专
业，工学硕士，2014年毕业于西南
交通大学市政工程专业，工学博士。

研究方向：大跨度桥梁结构、组合
结构
E-mail ： 911353253@qq. com
陈克坚
1966 —，男，教授级高工
1988年毕业于同济大学桥梁工程
专业，工学学士。

研究方向：铁路特
殊桥梁设计
E-mail：kjchen@ 163. com
YUAN Ming
袁明
1%3 —，男，教授级高工
1984年毕业于西南交通大学桥梁
工程专业，工学学士。

研究方向：桥
梁结构设计
E-mail ： yuanminge@sina. com
(编辑：叶青
)。