波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥_1.docx

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1、波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥山东鄄城黄河公路主桥工程简介王健1孟磊2王用中3在建鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大桥梁，地处山东省南部鄄城县以北，位于山东与河南两省交界处，它是规划建设的德州至商丘高速公路的一个重要控制工程。大桥桥孔布置为由北向南：950m折线配筋先张预应力砼简支T梁桥面连续70m11120m70m波形钢腹板预应力砼连续箱梁5850m折线配筋先张预应力砼简支T梁桥面连续。波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥于上世纪八十年代由法国开发，此后在日本得到推广应用，截止2020年底已建在建该类桥梁总数已达130多座，目前已为日本高速公路普遍使用的桥

2、梁形式。表1列出了近年来日本兴建的12座规模较大的波形钢腹板预应力砼桥。在我国，波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁成规模的应用，鄄城桥尚属初次。70m11120m70m这样的多跨大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁在规模上亦突破了法国、日本的现有纪录。本文将较具体的介绍其有关情况，以飨读者。表1日本波形钢腹板桥1.波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥构造特点与技术优点顾名思义，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3080cm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

3、混凝土箱梁的第二个特点。两个图1鄄城桥主桥效果图图2波形钢腹板箱梁示意图构造特点使波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁与预应力混凝土箱梁桥相比有如下优点：1经济效益显著，抗震性能好：采用波形钢腹板代替厚重的砼腹板，减轻了上部构造的自重2030%,进而使使上、下部构造的工程量获得减少，降低了工程总造价。由于上部构造的减轻、波形版的褶皱效应，箱梁的抗震性能得到改善。2构造受力合理、提高材料的利用率：在波形钢腹板PC箱梁桥中的砼均集中在顶、底板处,回转半径几乎增加到最大值,大大地提高了截面的构造效率；受力时砼用来抗弯,而波形钢腹板用来抗剪，弯矩与剪力分别由顶、底板和波形钢腹板承当，其腹板内的应力分布近似为

4、均布图形,而非传统意义上的三角形,有利于材料发挥作用；波形钢腹板PC箱梁桥采用体外预应力承受活载,因此即便在长期运营后,体外预应力索出现磨损或断裂时,可以以在夜间停止车辆通行后对其进行更换，以恢复承载力和进行构造加固。3施工方便、提高施工速度：由于梁体自重的减轻,悬臂施工时,可减少节段数量，因此可短缩工期；悬臂浇注时钢腹板可用作挂篮的组成部分、顶推施工时能够用腹板作导梁、现浇时可省略腹板模板，进而方便施工、节省施工成本。如日本本谷桥在采用砼腹板箱梁时需要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%；鄄城桥120米标准跨初步设计节段数为31，现设计为23，因此能够大大地加快

5、施工速度,缩短工期。4节能环保、造型美观：作为钢混组合构造，波形钢板的应用可节省桥梁混凝土用量、增大钢构造应用，这符合节能环保原则，而且波形钢腹板形态生动、颜色鲜艳，可使桥梁获得较强的美感，亦可很好的与周围环境相协调，是高速公路、山区、风景区较好的桥型选择。2.波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥力学特性与设计计算要点2.1箱梁的竖向弯曲波形钢腹板竖向弯曲符合如下假定：1忽略波形钢腹板的纵向抗弯作用波形钢腹板在纵向由于折皱效应，宛如手风琴一样能够自由伸缩，其纵向抗拉压刚度很小，一般用表观弹性模量来表示其刚度的降低。表观弹性模量详细表述为EE0/(t/h)2，式中E0为钢板的弹性模量，h为波形钢腹板高度

6、，t为波形钢腹板的厚度，波形钢腹板的形状系数。鄄城黄河桥算得Emax=E0/531，而钢板厚度仅为814mm，故设计时能够以为波形钢腹不承受轴向力即近似以为波形钢腹板不抵抗轴向力与正弯矩，其断面抗拉压面积、抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板。图3示出了鄄城黄河桥典型设计横断面及相应的抗轴向力、正弯矩折算断面；竖弯时断面正应力与剪应力的分布。2在竖向荷载作用下正弯曲平面假定成立对一般钢-混凝土组合梁而言，在计算竖向弯曲时普遍采用了平截面假定，理论和实践证实在忽略波形钢腹板与混凝土之间的滑移与波形钢腹板竖向压缩变形的前题下，对波形钢腹板预应力混凝土箱梁的竖向弯曲平截面假定仍然成立，且剪应力沿高度均

7、匀分布。(3)弯矩仅由顶底板构成的断面抵抗，而剪力则完全由钢腹板承当且剪应力在腹板上作均匀分布。有了以上三项假定纵向弯曲计算可藉常规的方法与程序进行。因波形钢腹板的手风琴效应亦称褶皱效应，波形钢腹板不承受纵向拉、压力，于纵向弯曲计算中可不计入腹板的影响，导致波形钢腹板PC箱梁桥刚度较一般PC箱梁要小，表2为波形钢腹板桥梁和一般混凝土腹板桥梁的截面刚度的比拟例子，于本例中能够看出与一般的PC箱梁桥梁混凝土腹板相比，波形钢腹板PC箱梁桥抗弯刚度约为90%、扭转刚度约为40%、剪切刚度约为10%。一般的PC箱梁桥与波形钢腹板PC箱梁桥截面设计参数比照，见图4。表2一般PC箱梁与波形钢腹板PC箱梁的受

8、力性能比拟a一般的PC桥b波形钢腹板PC桥注：1.混凝土抗压强度：ckf40N/mm2；2.混凝土弹性模量：Ec=3.1104N/mm2；3.混凝土抗剪弹性模量：Gc=1.3104N/mm2；4.钢板弹性模量：Es=2.0105N/mm2；5.钢板抗剪弹性模量：Gs=7.7104N/mm2图4一般PC箱梁桥与波形钢腹板PC箱梁桥截面设计参数比照因波形钢腹板不承受轴向力因此纵向预应力索可集中加载于混凝土顶、底板，进而有效地提高了预应力效率，波形钢腹板主要承受剪切力，因腹板剪切应力较大，且箱梁剪切刚度较小，设计中应注意剪切变形对纵向弯曲挠度的影响。波形钢腹板PC箱梁桥的抗扭刚度、横向刚度均较一般的

9、PC箱梁桥小，设计中宜注意按适当间距设计横隔以增大其抗扭能力。波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接是保证箱梁整体性的关键构造，应注意保证其纵向抗剪、横向抗弯性能。桥梁的振动特性总体上反映了其刚度、质量分布的合理性，上述波形钢腹板PC箱梁桥相对于PC箱梁桥质量、刚度的变化综合效果，可反映于其振动特性变化上，表3示出了几座波形钢腹板PC箱梁桥的振动特性，波形钢腹板PC箱梁桥振动特性介于PC箱梁桥与钢桥之间，近似于PC箱梁桥，故其设计冲击系数可采用PC箱梁桥的冲击系数。表3波形钢腹板桥的自振频率与衰减系数2.2波形钢腹板的剪切屈曲如上述，在竖向弯曲时波形钢腹板上的剪应力分布和传统的混凝土腹板有所不同,沿

10、梁高基本呈等值分布。由于轴向压应力较小，钢腹板能够视为纯剪应力状态,且剪应力较大，因而设计时需要验算钢腹板的剪应力,还需要计算钢腹板的剪切屈曲。一般讲来，极限荷载作用时，剪应力即便在允许应力以内时，设计亦并非可用，由于波形钢腹板的形状不同，即便剪应力在允许范围内，板的剪切屈曲可以能发生，所以对剪切屈曲的安全性验算必须进行。对波形钢腹板剪切屈曲安全性计算，能够用有限变形理论的有限元方法作安全性验算，但实际上，用压杆的稳定性理论的有限元法对波形钢腹板的屈曲安全性进行计算可以以得到足够安全性的保证。以压杆理论为基础的波形钢腹板屈曲计算可如图5所示。为经济合理计，设计宜控制屈曲发生在屈从区、非弹性区为

11、原则，此时屈曲应力一般均大于或近于屈从应力，即便剪应力低于屈从应力时，波形钢腹板不发生屈曲，以使材料得以合理应用。总之，如下图屈曲进入非弹性领域s容许的，但设计追求的目的却是s0.6s为剪切屈曲系数，ss。屈从区cr,l=ys0.6非弹性区cr,l=1-0.614(s-0.6).y0.6s弹性区cr,l=(y/cr,l)1/2或cr,l=(y/cr,G)1/2s图5考虑了非弹性的剪切屈曲强度线波形钢腹板的剪切屈曲分三种：局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲如图6。1局部屈曲的验算应以在极限荷载作用时在剪切屈从应力下面不会发生波形钢腹板的局部剪切屈曲为控制条件进行验算。当s0.6时可导得式1，表示了保证

12、局部屈曲在剪切屈从应力下面不会发生的条件式。,ecrLy/0.6式1式中，eLcr,弹性局部屈曲临界应力，,ecrL=(k2E)/12(1-2)2；k剪切屈曲系数，k=4.00+5.34/2；纵横比=a/h，但ah；a波形钢板的板幅；E波形钢板材料的杨氏模量，E取2.0105N/mm2；h波形钢腹板高；波形钢板材料的泊松比0.30；宽厚比=t/a；t波形钢腹板厚；y剪切屈从点单位应力。由,ecrL计算知局部屈曲控制参数为板幅a、板厚t、板高h，当t、h设定后，,ecrL取决于a，从这个意义上讲局部屈曲控制着板幅a的选择。2整体屈曲的验算图6波形钢腹板屈曲毁坏应以在极限荷载作用时在剪切屈从应力下

13、面不会发生波形钢腹板的整体剪切屈曲的为控制条件进行验算。当s0.6时可导得式2，表示了保证整体屈曲在剪切屈从点单位应力下面不会发生的条件式。,ecrGy/0.36式2式中，eGcr,弹性整体屈曲临界应力，,ecrG=36(EIy)1/4(EIx)3/4h2t；两端支承固结度系数两端简支时：=1.0；E波形钢腹板弹性模量，E取2.0105N/mm2；Ix波形钢腹板PC箱梁桥轴方向相对重心的惯性矩；Ix=t3(2+1)/(6)；波高板厚比d/t；长度减少系数(波形钢腹板沿桥轴方向长度与相应展开长度之比)，如1600/1712.4=0.934；Iy波形钢腹板相对高度方向惯性矩，Iy=t3/12(1-

14、2)；波形钢腹板材料的波松比=0.30；h波形钢腹板高；t波形钢腹板厚。由eGcr,计算知整体屈曲控制参数为波高d、板厚t、板高h，当t、h设定后，eGcr,取决于d，从这个意义上讲整体屈曲控制着波高d的选择。在这里，波形钢腹板的固定度系数规定为1.0，即设定波形板简支于桥面板，由于考虑到在极限荷载作用时会在混凝土桥面板上发生弯曲裂缝，混凝土桥面板与波形钢板的连接部的刚度会低下，因而采用更=1.0接近于实际。3组合屈曲的验算组合屈曲临界应力，如式3所示，能够用局部屈曲临界应力与整体屈曲临界应力的乘幂和相关式来表示。cr=cr,L1/1+(cr,L/cr,G)41/4式3式中：cr复合屈曲临界应

15、力；cr,L局部屈曲临界应力知足屈从域条件时，即为钢板的剪切屈从应力；cr,G整体屈曲临界应力知足屈从域条件时，即为钢板的剪切屈从应力。当s0.6时，可取cr,Lcr,Gy时，cr0.84y，即当知足屈从应力下面不发生局部屈曲、整体屈曲条件时，控制在屈从应力下面不发生组合屈曲的条件为0.84y，从这个意义理解波形钢腹板的组合屈曲强度是对极限荷载作用时的剪应力做验算，其值控制在0.84y下面。2.3波形钢腹板与混凝土顶底板的连接波形钢腹板箱梁桥的受力性能取决于钢腹板与砼顶、底板连接界面处剪应力的有效传递,因而剪力连接键是能否为构造提供足够完好的组合作用的一个决定因素。波形钢腹板PC组合箱梁常见的

16、连接形式有如图7(a)示的栓钉连接键,即在波形钢腹板的上下端部焊接钢制翼缘板,翼缘板上焊接剪力钉,使之与砼板结合在一起,此剪力键仅由栓钉抗剪。埋入式剪力键图7(b)也是一种新型的剪力连接键,它采用在钢腹板上穿孔,穿过贯穿钢筋,再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后埋入砼板的方法.它除了贯穿钢筋和砼抗剪销抗剪外,埋入砼顶、底板部分的钢腹板折叠部分也介入抗当前位置：文档视界波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥注：表中1、2为日本高速公路设计要领建议的工程招标用连接方式，1用于跨度较大桥梁连接，2用于盐腐蚀环境不强、跨径较小的桥梁连接。表6顶、底板的连接构造的组合与

17、经济性注：关于经济性，以1经济性最突出，从1开场顺次递减。参考国外的已建工程,通过模型试验,并虑到经济性和施工方便,鄄城桥采用了埋入式剪力键的连接方式。埋入式剪力连接键是一种新型的最适用于波形钢腹板组合箱梁的剪力键。它由贯穿钢筋、混凝土抗剪销以及埋入部分的钢腹板共同承当水平剪力。偏安全考虑,在计算中不计入实际上介入抗剪的混凝土销的抗剪作用,只将其视为一种安全储备。埋入混凝土板内的波形钢腹板抗剪齿键和约束钢筋如图8在设计荷载时的容许剪力：Q1=1A1+saA2，式中：Q1：抗剪结合鍵的容许剪力；1：混凝土的容许承压应力；A1：混凝土齿锭的抗剪正面积,A1=埋入长度波纹高度；：和贯穿钢筋角度有关的

18、系数；sa：钢筋的容许拉应力；A2：和混凝土齿鍵共同作用的约束钢筋截面积。2.4波形钢腹预应力砼箱形梁的设计计算如前述波形钢腹板预应力砼箱形梁的设计计算好像一般预应力砼梁桥设计计算一样，主要为波形钢腹板预应力砼箱形梁桥的竖向弯曲计算。其计算方法与其受力特点一致。波形钢腹板取代砼箱梁的砼腹板，给箱梁带来的最大影响是横向扭转刚度降低。为提高其抗扭能力，于波形钢腹板预应力混凝土箱梁中应按适当距离设置横隔板，这些都应在设计计算中反映。图9为鄄城黄河桥主桥上部构造设计计算框图。如前述波形钢腹板的剪切验算为波形钢腹板箱梁桥设计计算重要课题，鄄城桥关于这部分的设计计算框如图10。主要计算成果如下：1波形钢腹

19、板箱梁横向框架计算根据横向框架分析、横向计算结果，顶、底板抗弯、抗剪极限承载均知足规范要求；持久极限状况中长期荷载效应组合各个截面均为压应力，知足规范要求；短期荷载效应组合在顶板跨中产生的最大拉应力-1.01MPa-1.85MPa，知足规范要求；计算受拉区预应力钢筋最大应力为1198MPa0.65fpk=1209MPa，知足规范要求。图8a砼齿键(b)结合钢筋图9整体计算框图图10剪切计算框图2波形钢腹板箱梁纵向计算施工阶段压应力均小于0.7fck=22.7MPa，知足规范要求；波形钢腹板箱梁计算极限弯矩均小于截面抗力，知足规范要求；箱梁持久状况正常使用极限状态，除边跨上缘个别断面产生了0.7

20、65MPa的拉应力，未知足短期荷载效应全预应力规范要求外，其余部分均为压应力，知足要求；箱梁持久状况和短暂状况最大正截面压应力为16.1MPa规范要求的0.5fck=16.2MPa,知足规范要求；计算受拉区预应力钢筋最大应力为1200MPa0.65fpk=1209MPa，知足规范要求。3波形钢腹板的剪切、稳定计算采用日本道路示方书所示钢腹板计算公式计算。各截面钢腹板设计平均剪应力均小于120MPa的设计剪应力允许值，知足设计要求；各截面钢腹板极限平均剪应力均小于199MPa的极限剪应力允许值，知足设计要求；通过计算整体屈曲、局部屈曲的剪切屈曲参数s0.6均位于屈从区内，符合设计追求目的；钢腹板

21、极限平均剪应力最大值为149.3MPa小于组合屈曲强度cr=167.3N/mm2，知足设计要求。4波形钢腹板与混凝土连接部分计算采用日本道路示方书所示混凝土与钢腹板连接计算公式计算，钢腹板斜幅间混凝土键验算、混凝土剪力销验算、孔与孔间钢板剪切毁坏验算、混凝土剪力销的剪应力引起的抗力验算、波形钢板埋入段承压应力引起的抗力验算、因波形钢腹板板幅受压而引起的抗力验算均知足材料允许值。5波形钢腹板纵向弯曲挠度计算根据解析计算，在短期荷载效应组合下构造跨中产生最大位移为63mm，按规范考虑挠度长期增长系数1.425后为90mm120m/600=0.2m=200mm，知足规范要求。3.波形钢板的制作与波形

22、钢腹板预应力混凝土桥的施工3.1波形钢板的制作波形钢腹板桥梁用的构造钢主要有桥梁构造钢GB/T714-2000、碳素构造钢GB/T700、低合金高强度构造钢GB/T1591、高耐候构造钢GB/T4171-2000，以及焊接构造用耐候钢GB/T4172-2000。其中，碳素构造钢质量等级有A、B、C和D四种，桥梁上只用C级和D级。低合金高强度构造钢有A、B、C、D和E五种，桥梁钢只用C、D、E三种，在选用时，应综合考虑构造的重要性、荷载特征、构造形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等。桥梁用构造钢多用于铁路桥梁的主要受力构件，同等级的低合金高强度构造钢与桥梁用构造钢的性能指标差异不大，但

23、价格具有一定的优势，因而在公路桥梁中应用较多。一般情况下，波形钢腹板桥梁的主要受力构件钢腹板，应优先选用Q345钢。当受力较小，构件由最小尺寸或稳定控制设计，或者对整体受力影响不大的次要部位的构件，可选用Q235钢。耐候钢并不是不发生锈蚀，而是在使用的初期阶段与普通钢一样生锈，只是两者在其后的锈蚀速度不同罢了。普通钢随着锈蚀的进展，锈层膨胀变厚，Fe3O4构成并开场产生裂缝；随后锈层发生剥离，进而进一当前位置：文档视界波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥波形钢腹板预应力混凝土箱形梁连续梁桥公路钢桥采用的防锈处理方法如表8所示。即波形钢板的防锈可按公路钢桥的准则处理，可选取下列标准的防锈方法。表

24、8公路钢桥的防锈办法3.2波形钢腹板预应力混凝土桥的施工波形钢腹板PC箱梁桥视桥型不同可采用类似PC桥的各种施工方法施工，如支架现浇施工、移动模架逐孔现浇、预制安装、悬臂浇注、悬拼安装、顶推施工等。唯应注意三个问题：波形钢腹板安装与连接；体外索施工；波形钢腹板可在安装中作临时承重构造。对跨度较大的波形钢腹板PC箱梁桥或桥下立支架有困难的场所，通常采用悬臂施工法施工。悬臂施工法有关讲明如下：1按PC变截面连续梁刚构桥施工经历，采用悬臂法施工的常规跨度为80250m，PC箱梁桥悬臂施工法最大跨度达270m中国广东虎门桥，而波形钢腹板PC箱梁桥悬臂施工最大跨度为150.2m日本朝比奈川桥。2悬臂施工

25、法可分为节段悬臂浇注与预制节段悬臂拼装两种，一般多用节段悬臂浇筑法。3悬臂浇注施工要点1波形钢腹板PC箱梁桥的悬臂浇注施工类同PC箱梁桥悬臂浇注施工，同样应知足（公路桥涵施工技术规范）JTJ041-2000要求。2波形钢腹板PC箱梁桥节段悬臂浇注施工步骤为：前移挂篮安装底板钢筋安装、焊接波形钢腹板浇注底板混凝土安装顶板钢筋浇注顶板混凝土养生预应力张拉前移挂篮，进行下一循环。若利用波形钢腹板作挂篮承重构造，则节段施工步骤可略作调整，流水作业面可在三个相邻节段展开，如下列图13：图12波形钢腹板PC箱梁施工挂篮图13悬臂施工法-Rap.con/RW工法3波形钢腹板箱梁桥悬臂浇注用挂篮类同PC箱梁桥

26、，一般多用菱形挂篮，但预留了波形钢腹板的吊装设备与空间如图12。借波形钢腹板上翼缘板与下缘混凝土突缘之助，波形钢腹板亦可作为节段悬浇的工作平车承重构造如图13。4悬臂浇注用挂篮一般由承重系统、锚固系统、行车系统、平台系统、波形钢腹板安装系统、模板系统和调节装置等组成，其设计要求类同PC箱梁桥的节段悬浇挂篮，唯应注意波形钢腹板吊装定位系统的设计、钢-混凝土连接处混凝土施工以及混凝土横隔施工等不同之处。4.鄄城黄河桥主桥设计及其技术经济效益本设计为上、下行分离式桥梁，单幅上部箱梁为单箱单室断面，箱梁顶宽为13.5m，箱梁底宽6.5m，翼缘悬臂长3.0m，悬臂端部板厚0.20m，悬臂根部厚0.50m

27、。墩顶根部梁高为7.0m，为跨径的L/17.14；跨中梁高为3.0m，为L/40。为改善1/4跨径处的应力状态，梁高按1.6次抛物线变化。箱梁顶板厚0.25m；底板厚度0.250.80m，按二次抛物线变化。波形钢腹板采用抗拉强度310MPa、抗剪强度180MPa的Q345qd钢材，箱梁采用直腹板，墩上块采用砼腹板、距墩上块5m范围内波形钢腹板内设有混凝土里衬，为钢砼组合腹板，其它部位为波形钢腹板，波形钢腹板波长1.6m,波高220mm,水平面板宽43cm，水平折叠角度为30.7，内径为120cm，钢板厚度814mm，其形状如图14。纵向预应力筋分两种：体内束和体外束。预应力钢束均用270级15.24钢绞线，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。考虑到波形钢腹板预应力砼箱形连续梁的特点，为合理布束和加快施工进度，悬臂节段按约160吨重划分，以此为标准120米标准跨除墩顶0号节段外另对称分为11个节段悬浇。顶板布置32束体内钢束，每束19根钢绞线、中跨底板体内钢束布置12束，每束15根钢绞线、边跨底板体内钢束布置6束，每束采用12根钢绞线。中跨布置6束体外钢束，每束采用19根